选择不可变对象和结构体作为值对象

Question

你怎么选择将值对象（一个典型的例子是地址）实现为不可变对象或结构体？

选择其中一种有没有性能、语义或其他方面的好处？

- Garry Shutler

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你是指不可变对象还是“不可变”结构体？结构体也可以是可变的，对吗？ - Gulzar Nazim

我相当确定它们不可能是用C#编写的。如果你有证据请随意向我证明 :) - Garry Shutler

结构体是可变的。但它们虽然按值传递，所以对其进行的更改不会像类（按引用传递）那样传播到所有引用它们的地方。 - configurator

在配置器上+1 - c#结构体是可变的，除非你使用只有get而没有set的属性，或者将字段标记为“readonly”。 - Paul Stovell

Answer 1

有一些需要考虑的事情：

结构体通常在堆栈上分配。它是值类型，如果数据太大，则在方法之间传递数据可能会很昂贵。

类分配在堆上。它是引用类型，因此通过方法传递对象不会那么昂贵。

通常，我使用结构体来创建不是很大且不可变的对象。当它们保留有限数量的数据或我想要不可变性时，我仅在这种情况下使用它们。一个例子是DateTime结构。我认为如果我的对象不像DateTime那样轻巧，那么可能不值得使用作为结构体。此外，如果我的对象作为值类型没有意义（也像DateTime那样），则可能不适合使用结构体。这里的关键是不可变性。此外，我要强调的是，结构体默认不是不可变的。你必须通过设计使其不可变。

在我遇到的99%的情况中，类是正确的选择。我发现自己很少需要不可变的类。在大多数情况下，我更自然地将类视为可变的。

- DanHerbert

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这是我所暗示的第一点，当我说“[结构体]是值类型”和“[类]是引用类型”时。 - Dan Herbert

@DanHerbert：关于“结构体通常分配在堆栈上”，这个“通常”很困惑！一个结构体总是被分配在堆栈上。 - Manish Basantani

@Amby看一下这篇文章，它应该会帮助你理解。http://blogs.msdn.com/b/ericlippert/archive/2010/09/30/the-truth-about-value-types.aspx 结构体不需要装箱才能分配到堆上。 - Dan Herbert

@yfeldblum - 通过按值传递语义我会获得哪些好处？如果是因为原始对象不会被修改 - 我只需要创建一个不可变类就能达到同样的效果吗？ - BornToCode

@BornToCode - 它不需要分配内存或者解引用就可以使用。它具有高速缓存局部性。使用SSE可以优化副本（memcpy可能会自动优化为使用SSE）。 - yfeldblum

Answer 2

我喜欢用一个思维实验：

只调用空构造函数时，这个对象是否有意义？

根据Richard E的请求编辑

使用struct的好处是将基本类型封装并将其范围限定在有效的范围内。

例如，概率的有效范围为0-1。到处使用小数表示它容易出错，并需要在每个使用点进行验证。

相反，您可以使用带有验证和其他有用操作的封装基本类型。这通过了思维实验，因为大多数基本类型都具有自然的0状态。

以下是使用struct表示概率的示例用法：

public struct Probability : IEquatable<Probability>, IComparable<Probability>
{
    public static bool operator ==(Probability x, Probability y)
    {
        return x.Equals(y);
    }

    public static bool operator !=(Probability x, Probability y)
    {
        return !(x == y);
    }

    public static bool operator >(Probability x, Probability y)
    {
        return x.CompareTo(y) > 0;
    }

    public static bool operator <(Probability x, Probability y)
    {
        return x.CompareTo(y) < 0;
    }

    public static Probability operator +(Probability x, Probability y)
    {
        return new Probability(x._value + y._value);
    }

    public static Probability operator -(Probability x, Probability y)
    {
        return new Probability(x._value - y._value);
    }

    private decimal _value;

    public Probability(decimal value) : this()
    {
        if(value < 0 || value > 1)
        {
            throw new ArgumentOutOfRangeException("value");
        }

        _value = value;
    }

    public override bool Equals(object obj)
    {
        return obj is Probability && Equals((Probability) obj);
    }

    public override int GetHashCode()
    {
        return _value.GetHashCode();
    }

    public override string ToString()
    {
        return (_value * 100).ToString() + "%";
    }

    public bool Equals(Probability other)
    {
        return other._value.Equals(_value);
    }

    public int CompareTo(Probability other)
    {
        return _value.CompareTo(other._value);
    }

    public decimal ToDouble()
    {
        return _value;
    }

    public decimal WeightOutcome(double outcome)
    {
        return _value * outcome;
    }
}

- Bryan Watts

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我不理解。您可以创建没有默认构造函数的对象。 - Garry Shutler

结构体始终具有默认构造函数，即使您没有定义它。因此，可以将结构体实例化为“空”实例（例如new Int32（））。如果对象没有特定构造函数就没有意义，则应该将其定义为不可变类。 - Bryan Watts

但是，如果在类中声明了一个非默认构造函数，则默认构造函数将消失，您只能使用非默认构造函数。对于结构体来说，它的默认构造函数始终存在且无法删除。 - Bryan Watts

@Garry Shutler：在结构体中，您无法声明默认构造函数（因此无法设置其可见性）。没有任何方法可以阻止某人使用结构体的默认构造函数。 - Bryan Watts

如果您声明一个带参数的构造函数，类的默认构造函数将被删除。但是，我不确定这证明了结构体与类的讨论方向。 - Richard Ev

Answer 3

你如何选择将值对象（典型示例是地址）实现为不可变对象或结构体？

我认为你的选项有误。不可变对象和结构体并非相反，也不是唯一的选项。实际上，你有四个选项：

- 类

- 可变的 - 不可变的

- 结构体

- 可变的 - 不可变的

我认为在.NET中，默认选择应该是 可变类 表示 逻辑，而 不可变类 表示一个 实体。如果可能的话，我实际上倾向于选择不可变类来实现逻辑。结构体应该保留给模拟值语义的小型类型，例如自定义 Date 类型、类似实体的 Complex 数字类型。重点在于 小型，因为我们不希望复制大块数据，通过引用进行间接访问实际上很便宜（所以使用结构体并没有什么好处）。我倾向于始终将结构体设计为不可变的（目前无法想到任何一个例外情况）。由于这最符合内在值类型的语义，我认为这是一个好的规则要遵循。

- Konrad Rudolph

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“代表逻辑”是什么意思？你能举个例子吗？许多实体（如一个人）并不是由其属性定义的，那么为什么要主张它们应该是不可变的呢？ - gkdm

@Avid：为什么int类型与其他类型不同？你可以将int i = 1; i = 3;看作是将1替换为数字3的实例。再想想int i = 1; i = new int();，它是改变了现有值还是用System.Int32的新实例替换了它？能够给变量赋值并不意味着类型是不可变或可变的。而是由于存在可变字段和/或修改器方法，而string和int都没有。此外，MSDN明确指出Int32是一个不可变类型。 - R. Martinho Fernandes

@AviD：这个讨论是无意义的。你把“值”和“符号”混淆了。在计算机科学中，它们有着非常明确定义的含义，微软在术语上的粗心大意令人遗憾。但事实是：一个变量是一个“符号”，除非在.NET中声明为const或readonly，否则一个变量总是可变的。而另一方面，“值”则完全不同。在.NET中，所有基本类型的值都是不可变的。你不能改变一个值，就此结束。你所能做的只是将新值分配给现有的符号。（续……） - Konrad Rudolph

@AviD：你想看到s += "foo"和i += 1之间的区别，但实际上并不存在：在这两种情况下，你改变的都是变量（即符号），而不是对象。对于整数来说，由于它们是值类型，因此没有两个符号可以引用相同的对象（因此我们无法观察到不同的行为）。但从概念上讲，微软非常清楚地表明基本值类型（包括int）是不可变的。请注意，这与C++不同，在C++中，您可以改变基本类型（并且您可以看到这种差异）。 - Konrad Rudolph

@Konrad - 对，我是指int类型它们是一样的，因此int（和其他基本值类型）必须是不可变的。对于字符串来说，应该是不同的，因为它们是引用 - 但这就是为什么它们被认为是不可变的，即使底层机制非常不同。老实说，我甚至不记得我们有什么分歧，因为我们似乎达成了一致（如果从不同的角度看），尽管这可能始于我的某些误解...谢谢。 - AviD

Answer 4

因素：构造、内存需求、装箱。

通常，结构体的构造函数限制 - 不能有显式无参构造函数，不能使用base构造函数 - 决定是否应该使用结构体。例如，如果无参构造函数不应将成员初始化为默认值，则使用不可变对象。

如果您仍然可以选择两者之间，请根据内存需求进行决策。特别是对于小型项目，应该使用结构体，尤其是如果您预计会有许多实例。

当实例被装箱时（例如，为匿名函数捕获或存储在非泛型容器中），这种好处就会丧失 - 您甚至开始为装箱支付额外费用。

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什么是“小”，什么是“多”？

对象的开销是（如果我没记错）32位系统上的8个字节。请注意，对于几百个实例，这可能已经决定了一个内部循环是否完全在高速缓存中运行，或者调用GC。如果您预计有数万个实例，则这可能是运行与爬行之间的差异。

从这个角度来看，使用结构体并不是过早优化。

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因此，以下是一些经验法则：

如果大多数实例将被装箱，请使用不可变对象。
否则，对于小型对象，仅在结构体构造会导致笨拙的接口且您预计不会超过数千个实例时，请使用不可变对象。

- peterchen

Answer 5

我实际上不建议使用.NET结构体来实现值对象，有两个原因：

• 结构体不支持继承
• ORM在将映射到结构体时处理不好

这里我详细介绍了这个主题：详解价值对象

- Vladimir

Answer 6

一般情况下，我不建议使用结构体作为业务对象。虽然在堆栈上运行可能会获得一些性能提升，但这样做会在某些方面限制自己，并且默认构造函数在某些情况下可能会出现问题。

特别是当你的软件发布到公众时，这一点更加重要。

对于简单类型，结构体很好用，这就是为什么你看到微软大多数数据类型都使用结构体的原因。同样地，对于适合在堆栈上使用的对象，结构体也很好用。其中提到的Point结构体就是一个很好的例子。

如何决定呢？通常我默认使用对象，如果它似乎可以从成为结构体中受益，那么我会仔细考虑并确定是否有意义。

你提到地址作为例子，让我们以类的形式来检查它。

public class Address
{
    public string AddressLine1 { get; set; }
    public string AddressLine2 { get; set; }
    public string City { get; set; }
    public string State { get; set; }
    public string PostalCode { get; set; }
}

将这个对象视为一个结构体。在考虑时，要考虑这个地址“结构体”内包含的类型，如果您以这种方式编码它。您是否发现有任何可能不按照您想要的方式工作的问题？考虑潜在的性能优势（例如，是否有性能优势）。

- Gregory A Beamer

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应用我在你的问题中提供的思想实验：如果一个地址的所有字段都为空，那么它是否有意义？在这种情况下，我会说不。 - Bryan Watts

实际上，对于数据对象，只有至少一个项目不为空时才创建对象，但我同意一个完全由空值组成的对象是无效的。我想表达的主要观点是：结构体不是编写地址代码的最佳方法。 - Gregory A Beamer

Answer 7

在今天的世界中（我想到的是C# 3.5），我认为结构体没有必要使用（编辑：除了某些特定场景外）。

支持使用结构体的论点似乎主要基于性能优势。我希望看到一些基准测试（复制真实场景），以说明这一点。

使用结构体来表示“轻量级”数据结构的概念对我来说过于主观。什么时候数据不再是轻量级？此外，在向使用结构体的代码添加功能时，您何时决定将该类型更改为类？

就个人而言，我无法回想起上次在C#中使用结构体的时间。

编辑

我认为出于性能原因在C#中使用结构体是明显的过早优化^*

^{*除非应用程序已进行性能分析，并确定使用类会成为性能瓶颈}

编辑2

MSDN声明：

结构体类型适合表示轻量级对象，如Point、Rectangle和Color。虽然可以将点表示为类，但在某些情况下，结构体更有效率。例如，如果声明一个包含1000个Point对象的数组，则会为引用每个对象分配额外的内存。在这种情况下，结构体的代价更小。除非需要引用类型语义，否则比16字节小的类可能更适合作为结构体由系统更高效地处理。

- Richard E

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你最近使用过 Int32 或 DateTime 吗？这些都是使用结构体的很好的理由 :-) “类 vs 结构体”与“实体 vs 值”的概念相同，只是用语言术语表达。区别在于身份，而不是性能优势的感知。 - Bryan Watts

永远不要定义自己的结构体，这样你会过上更长久、更幸福的生活。除了互操作字段布局之外，始终使用类。 - Brian

Bryan - 我的观点有两个方面：1）一些受访者引用性能作为使用结构体的原因 2）其他人建议应该用于轻量级结构。我认为这两种观点都非常主观，需要澄清。 - Richard Ev

@Richard E：我指的是@Brian的评论。由于它很容易被误解，所以我决定将其删除。@Brian：虽然这样做可以使生活变得不那么复杂，但也会从你的工具箱中移除一个强大的工具。 - Bryan Watts

过早的优化是有害的，只有在你为此牺牲了其他方面，比如可读性、接口优雅度和开发时间时才是如此。 - peterchen

Answer 8

通常情况下，结构体的大小不应超过16个字节，否则在方法之间传递它可能比传递对象引用更加昂贵，因为对象引用只有4个字节（在32位机器上）。

另一个问题是默认构造函数。结构体总是具有默认（无参数和公共）构造函数，否则像以下语句就会出现问题：

T[] array = new T[10]; // array with 10 values

无法工作。

此外，对于结构体来说，覆盖 == 和！= 运算符并实现 IEquatable<T>接口是一种礼貌的做法。

- Toro

Answer 9

如果按值传递实例，复制的成本是多少。

如果成本高，则使用不可变引用（类）类型，否则使用值（结构体）类型。

- Richard

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我不确定类与结构体在感知性能方面的优势是否仍然相关。 - Richard Ev

考虑 System.String。如果只有几个字节，那么没问题，但是当跨越多个缓存行时，成本就开始累积了。 - Richard

那么一个结构体不应该包含字符串类型的属性吗？ - Richard Ev

最好考虑/实现一个类似于字符串的类，该类是不可变的，但直接包含重要数据。 - Richard

PS. 微软的建议是值类型不应超过16个字节。 - Richard

Answer 10

从对象建模的角度来看，我很欣赏结构体，因为它们让我可以使用编译器将某些参数和字段声明为非空。当然，如果没有特殊的构造函数语义（例如在Spec#中），这仅适用于具有自然“零”值的类型。（因此Bryan Watt的“虽然实验”的答案。）

- Abraham Pinzur