C# 結構型別：值型別封裝、記憶體佈局、效能優勢與設計準則

為什麼需要結構？

通訊錄記錄含姓名、電話、地址。用簡單型別需三個變數管理，不直觀。結構將相關變數組織為單一實體。

基本宣告與使用

struct PhoneBook
{
    public string Name;
    public string Phone;
    public string Address;
}

PhoneBook p1;
p1.Name = "Mike";
p1.Phone = "0912-345678";
p1.Address = "Taipei";

• struct 關鍵字宣告
• 成員存取：變數.成員
• public 表公開存取權限

結構進階：巢狀結構與混合成員

struct Address
{
    public string City;
    public string Street;
    public uint No;
}

struct PhoneBook
{
    public string Name;
    public uint Age;
    public string Phone;
    public Address Address;  // 結構作為成員型別
}

// 使用
PhoneBook pb;
pb.Address.City = "Taipei";
pb.Address.Street = "Renai Rd";
pb.Address.No = 100;

結構 vs 類別：核心差異

效能優勢場景

• 小型、不可變、高頻建立：Point、Vector、DateTime、Guid
• 大量陣列：Point[] 連續記憶體，無參考間接層，Cache 友善
• 避免 GC 壓力：值型別不產生 Heap 物件，減少 Gen 0 收集

設計準則（Microsoft 官方建議）

1. 單一責任：邏輯單一、資料為主
2. 不可變：欄位 readonly、屬性唯讀
3. 大小 ≤ 16 位元組：超過改用類別（複製成本高）
4. 不頻繁裝箱：避免頻繁當作 object/介面使用
5. 實作 IEquatable<T>：避免裝箱比較

常見誤區

• 結構不能有方法？→ 可定義方法、屬性、索引子、事件、運算子多載
• 結構不能實作介面？→ 可實作介面（但裝箱發生）
• struct 節省記憶體？→ 區域變數是，但頻繁當參數傳遞/裝箱反而較重

C# 7.0+ 進階：readonly struct、ref struct

readonly struct Point3D  // 編譯器強制不可變
{
    public readonly double X, Y, Z;
    public Point3D(double x, double y, double z) => (X, Y, Z) = (x, y, z);
}

ref struct SpanWrapper  // 僅能棲息於 Stack，不可裝箱、不可作為類別欄位
{
    public Span<byte> Data;
}

總結

結構是值型別封裝利器，適用於小型、不可變、高頻資料。善用 readonly struct、ref struct 發揮極致效能，避免濫用導致複製成本與裝箱開銷。