C# 結構體 vs 類別完整對比：值型別/參考型別、記憶體配置、繼承、效能、選擇指南

前言

結構體與類別是 C# 建立自訂型別的兩大基石。雖然語法相似，但語意、記憶體行為、效能特徵截然不同。本文從 CLR 層面深度解析，提供實務選擇決策樹。

核心差異總覽

記憶體配置圖解

類別實例:
Stack:                    Heap:
myClass ──────┐           ┌─────────────────┐
              └──────────►│ Object Header   │
                          │ Sync Block Index│
                          ├─────────────────┤
                          │ Field1 (int)    │
                          │ Field2 (string) │──► "Hello" (另一堆疊物件)
                          └─────────────────┘

結構體實例 (區域變數):
Stack:
myStruct ┌─────────────────┐
         │ Field1 (int)    │
         │ Field2 (string) │──► "Hello" (字串仍在堆疊)
         └─────────────────┘

結構體陣列:
Stack:                    Heap:
arr ──────┐               ┌─────────────────┐
          └──────────────►│ Array Header    │
                          ├─────────────────┤
                          │ [0] Field1      │
                          │ [0] Field2      │──► "Hello"
                          │ [1] Field1      │
                          │ [1] Field2      │──► "World"
                          └─────────────────┘

代碼行為驗證

public struct PointStruct
{
    public int X, Y;
    public override string ToString() => $"({X},{Y})";
}

public class PointClass
{
    public int X, Y;
    public override string ToString() => $"({X},{Y})";
}

public static void Demo()
{
    // 1. 賦值行為
    PointStruct s1 = new PointStruct { X = 1, Y = 2 };
    PointStruct s2 = s1; // 複製值
    s2.X = 10;
    Console.WriteLine($"s1: {s1}, s2: {s2}"); // s1: (1,2), s2: (10,2) - 獨立

    PointClass c1 = new PointClass { X = 1, Y = 2 };
    PointClass c2 = c1; // 複製參考
    c2.X = 10;
    Console.WriteLine($"c1: {c1}, c2: {c2}"); // c1: (10,2), c2: (10,2) - 共享

    // 2. 方法傳遞
    ModifyStruct(s1); // 傳值，複製
    Console.WriteLine($"After ModifyStruct: {s1}"); // (1,2) 不變
    
    ModifyClass(c1); // 傳參考
    Console.WriteLine($"After ModifyClass: {c1}"); // (10,2) 變了
}

static void ModifyStruct(PointStruct p) { p.X = 99; }
static void ModifyClass(PointClass p) { p.X = 99; }

效能基準測試

| 操作                    | 結構體 (16 bytes) | 類別 (16 bytes + 參考) |
|------------------------|-------------------|------------------------|
| 實例化 (100萬次)       | ~5 ms             | ~15 ms (含 GC 壓力)    |
| 陣列配置 (100萬)       | 連續記憶體 16MB   | 陣列 8MB + 物件 16MB   |
| 陣列遍歷存取           | 極快 (CPU Cache 友善) | 較慢 (指標追蹤、Cache Miss) |
| 傳遞給方法 (by value)  | 複製 16 bytes     | 複製 8 bytes 參考      |
| 裝箱/拆箱              | 有開銷            | 無                     |
| GC 掃描壓力            | 無 (非堆疊)       | 有                     |

開始
  │
  ├─ 需要繼承/多態？ ──是──► class
  │
  ├─ 需要為 null？ ──是──► class (或 T?)
  │
  ├─ 邏輯上是「值」而非「實體」？ ──否──► class
  │       (如: 金額、座標、日期、顏色)
  │
  ├─ 實例大小 > 24 bytes？ ──是──► class
  │
  ├─ 大量陣列/集合、高頻配置？ ──是──► struct (或 readonly struct)
  │
  ├─ 需要實作介面？ ──是──► 兩者皆可 (struct 裝箱有開銷)
  │
  └─ 預設選擇 ──► class (較安全、語意明確)