C# 类型系统：值语义、引用语义与它的代价

读完这一节，你能做到

1. 判断一个模型该用 struct、class 还是 record。
2. 说清可变结构体的陷阱与 readonly struct 的作用。
3. 区分接口、抽象类与默认接口方法。
4. 用泛型约束表达类型契约。

一、struct 与 class

维度	struct	class
语义	值语义，赋值即拷贝	引用语义，共享对象
分配	栈/内联（可能被装箱）	堆
继承	不支持类继承	支持
默认值	全零值，不是 null	null
适用	小、不可变、短生命周期	有身份、可变、需要继承

struct 不是"更快的 class"：拷贝成本随字段增长，装箱会抵消收益。经验法则是"小于 16 字节、逻辑上像值（坐标、金额、范围）"才用 struct。

二、可变结构体的陷阱

public struct Counter { public int Value; public void Add() => Value++; }

var c = new Counter();
c.Add();            // 直接调用，修改的是变量
Console.WriteLine(c.Value); // 1

var list = new List<Counter> { c };
list[0].Add();      // 编译错误：不能修改返回值的成员

原因：属性/索引器返回的是副本，修改副本没有意义。修法：

• 把 struct 设计成不可变（readonly struct + 返回新值）。
• 需要可变时用 class。
• 用 ref 返回或 CollectionsMarshal 访问引用（不推荐滥用）。

readonly struct 让编译器知道所有字段不可变，减少防御性拷贝；in 参数避免大 struct 拷贝。

三、record：值语义的引用类型

record 默认是引用类型，但生成值相等性、ToString、with：

public record Money(decimal Amount, string Currency);
var a = new Money(10, "CNY");
var b = a with { Amount = 20 };
Console.WriteLine(a == new Money(10, "CNY")); // true

适用：DTO、事件、配置、不可变模型。不适合：需要可变状态、需要引用身份、频繁修改的大对象（每次 with 都新建）。

record struct 是值类型版本，适合小数据；readonly record struct 更彻底。

四、接口与抽象类

维度	接口	抽象类
多继承	可以	只能单继承
字段	不能	可以
构造逻辑	不能	可以
默认实现	C# 8+ 支持	支持
适用	能力契约	共享实现

选择标准：描述"能做什么"用接口，共享"怎么实现"用抽象类。默认接口方法适合给已有接口加方法而不破坏实现类，但不要用它替代抽象类。

五、泛型与约束

public T Max<T>(T a, T b) where T : IComparable<T>
  => a.CompareTo(b) >= 0 ? a : b;

常见约束：

约束	含义
where T : class	引用类型
where T : struct	非空值类型
where T : new()	有无参构造
where T : IComparable<T>	实现接口
where T : unmanaged	非托管类型

泛型在运行时会为值类型生成专用代码，避免装箱；引用类型共享同一份代码。

可空与泛型的交互

where T : notnull 可以约束泛型参数不接受可空类型；T? 在引用类型与值类型下语义不同：值类型是 Nullable<T>，引用类型只是可空注解。写通用库时要特别小心这两种差异。

六、委托、事件与表达式树

• 委托：类型安全的函数指针，Func/Action 是常用泛型委托。
• 事件：委托的封装，外部只能 += / -=，不能直接触发。
• 表达式树：把 lambda 表示为数据结构，EF Core 用它翻译 SQL。

区分 Func<T> 与 Expression<Func<T>>：前者是编译后的委托，后者是可分析的树。ORM 需要后者。

七、模式匹配与类型判断

is 模式匹配可以在判断的同时声明变量：

if (obj is User { Age: >= 18 } user)
    Console.WriteLine(user.Name);

switch 表达式适合把“类型 → 结果”的映射写成表达式，避免长串 if-else。注意模式匹配按顺序命中，范围窄的放前面。

八、不可变与 with 的边界

with 是浅拷贝：引用类型字段仍然共享同一个对象。想要深不可变，字段本身也要用不可变类型（ImmutableArray、record、只读集合）。

不可变的代价是每次修改都新建对象；高频修改的场景用可变对象 + 局部控制，不要为了“纯”牺牲性能。

装箱与泛型约束

把 struct 传给 object 或非泛型接口会装箱；泛型方法用 where T : IEquatable<T> 可以避免装箱并调用强类型方法。

补充：record 的相等性细节

record 的相等性逐字段比较，但引用类型字段仍用引用相等；字符串会按值比较（string 重写了 Equals）。集合字段默认比引用，需要值比较得自己重写或换不可变集合。

选择清单：DTO/事件用 record；坐标/金额等小值用 readonly struct；有身份、要继承、要可变用 class。选择先看语义，再看性能；语义优先。语义优先。先语义。

九、常见坑

1. 用可变 struct 做集合元素，修改无效。
2. 大 struct 频繁拷贝，性能反而不如 class。
3. record 里有可变引用字段，相等性仍按引用比较该字段。
4. 接口默认方法里访问不到实现类的私有状态。
5. 表达式树里写多语句 lambda，无法翻译。

十、动手任务：自写 → AI 写 → 对比 → 取舍

四步不跳：① 自己写（限时，关掉补全）→ ② 让 AI 写同一题 → ③ 逐条比对 → ④ 说出保留谁的写法。 完整动作与记录模板见《AI 协作与代码评审》。

① 自己写

1. 写一个 readonly record struct 表示金额，验证相等性与 with。
2. 复现"修改 List 中 struct 元素失败"，再用 class 修好。
3. 写一个泛型方法，用 where T : IComparable<T> 求最大值。

② 让 AI 写同一题

把第 2 题（struct 与 class 的选择）交给 AI，补一句 说明各自的分配位置与拷贝代价。

③ 对比要盯的点

• 它把 struct 说成“一定在栈上”了吗？被装箱或在类字段里就不在。
• record 的相等语义它讲对了吗？值相等是基于所有字段的。
• 装箱发生在哪里，它指出来了吗？比如把 struct 塞进 object 或接口。

④ 一句话取舍

它选 struct 的理由，在大对象或频繁传参时还成立吗？

十一、自测

1. struct 与 class 的适用边界？
2. 可变 struct 为什么会修改无效？
3. record 与 class 的核心差异？
4. 接口与抽象类怎么选？
5. Func<T> 与 Expression<Func<T>> 的区别？

参考答案要点：值/引用与大小；返回副本；值相等与 with；能力 vs 共享实现；委托 vs 表达式树。

附录：高频追问

问：struct 一定在栈上吗？ 不一定。作为类字段、被装箱、被闭包捕获时都在堆上；"栈分配"只是常见情况。

问：为什么推荐 readonly struct？ 避免防御性拷贝，明确不可变语义，编译器可以优化。

问：record 的相等性怎么实现的？ 编译器生成 Equals 与 GetHashCode，逐字段比较；引用类型字段仍按引用比较。

问：record 能被继承吗？ 可以，但只能继承 record；record class 支持继承，record struct 不支持。

问：接口能有字段吗？ 不能，只能有属性、方法、事件、索引器；C# 8+ 可以有静态字段与默认实现。

问：抽象类能有构造函数吗？ 能，供子类调用；接口不能有实例构造函数。

问：泛型约束能组合吗？ 能，顺序有要求：class/struct 在前，new() 在后。

问：委托是值类型还是引用类型？ 引用类型；Action/Func 都是委托类型。

问：事件为什么不能外部触发？ 事件只暴露 +=/-=，触发由声明方控制，避免外部误触发。

问：表达式树能编译成委托吗？ 能，Compile() 可以，但有编译成本，适合缓存后复用。

配套题目

★ 越多越该先背；点题目可看完整答案与深入版。

• ★★★★☆ C# 的接口和抽象类怎么选？显式实现有什么用？
• ★★★☆☆ C# 泛型的协变与逆变是什么？有什么约束？
• ★★★☆☆ C# 的 record 和 class 怎么选？record struct 呢？
• ★★★☆☆ const 和 readonly 有什么区别？