为什么结构不支持继承？

Question

我知道 .NET 中的结构不支持继承，但不清楚为什么它们会以这种方式受到限制。

阻止结构从其他结构继承的技术原因是什么？

Answer 1

值类型不支持继承的原因是数组。

问题在于，出于性能和 GC 的原因，值类型的数组是“内联”存储的。例如，给定new FooType[10] {...}，如果FooType 是引用类型，则将在托管堆上创建11 个对象（一个用于数组，10 个用于每个类型实例）。如果FooType 是值类型，则只会在托管堆上创建一个实例——用于数组本身（因为每个数组值都将与数组“内联”存储）。

现在，假设我们有值类型的继承。当结合上述数组的“内联存储”行为时，就会发生坏事，如in C++所示。

考虑一下这个伪 C# 代码：

struct Base
{
    public int A;
}

struct Derived : Base
{
    public int B;
}

void Square(Base[] values)
{
  for (int i = 0; i < values.Length; ++i)
      values [i].A *= 2;
}

Derived[] v = new Derived[2];
Square (v);

按照正常的转换规则，Derived[] 可以转换为Base[]（无论好坏），所以如果您对上面的示例使用 s/struct/class/g，它将按预期编译和运行，没有问题。但如果Base 和Derived 是值类型，而数组内联存储值，那么我们就有问题了。

我们遇到了一个问题，因为Square() 对Derived 一无所知，它只会使用指针算法来访问数组的每个元素，并以一个常数递增 (sizeof(A))。大会大概是这样的：

for (int i = 0; i < values.Length; ++i)
{
    A* value = (A*) (((char*) values) + i * sizeof(A));
    value->A *= 2;
}

（是的，这是可恶的程序集，但关键是我们将在已知的编译时常量处通过数组递增，而不知道正在使用派生类型。）

所以，如果这真的发生了，我们就会遇到内存损坏问题。具体来说，在 Square() 内，values[1].A*=2实际上会修改 values[0].B!

尝试调试那个！

Answer 2

结构不使用引用（除非它们被装箱，但你应该尽量避免这种情况）因此多态性没有意义，因为没有通过引用指针进行间接。对象通常存在于堆上并通过引用指针进行引用，但结构在堆栈上分配（除非它们被装箱）或分配在堆上的引用类型占用的内存“内部”。

Answer 3

结构在堆栈上分配。这意味着值语义几乎是免费的，并且访问结构成员非常便宜。这不会阻止多态性。

您可以让每个结构都以指向其虚函数表的指针开头。这将是一个性能问题（每个结构至少是指针的大小），但它是可行的。这将允许虚函数。

添加字段怎么样？

好吧，当您在堆栈上分配结构时，您分配了一定数量的空间。所需的空间是在编译时确定的（无论是提前还是在 JITting 时）。如果您添加字段，然后分配给基本类型：

struct A
{
    public int Integer1;
}

struct B : A
{
    public int Integer2;
}

A a = new B();

这将覆盖堆栈的某些未知部分。

另一种方法是运行时通过仅将 sizeof(A) 字节写入任何 A 变量来防止这种情况发生。

如果 B 覆盖 A 中的方法并引用其 Integer2 字段会发生什么？运行时抛出 MemberAccessException，或者该方法访问堆栈上的一些随机数据。这些都是不允许的。

结构继承是完全安全的，只要你不使用多态结构，或者继承时不添加字段。但这些并不是非常有用。

Answer 4

想象一下结构支持继承。然后声明：

BaseStruct a;
InheritedStruct b; //inherits from BaseStruct, added fields, etc.

a = b; //?? expand size during assignment?

意味着结构变量没有固定大小，这就是我们有引用类型的原因。

更好的是，考虑一下：

BaseStruct[] baseArray = new BaseStruct[1000];

baseArray[500] = new InheritedStruct(); //?? morph/resize the array?

Answer 5

结构确实支持接口，所以你可以用这种方式做一些多态的事情。

Answer 6

IL 是一种基于堆栈的语言，因此使用参数调用方法的过程如下：

1. 将参数压入堆栈
2. 调用方法。

当方法运行时，它会从堆栈中弹出一些字节以获取其参数。它确切地知道要弹出多少字节，因为参数要么是引用类型指针（在 32 位上始终为 4 个字节），要么是始终确切知道大小的值类型。

如果它是引用类型指针，则该方法在堆中查找对象并获取其类型句柄，该类型句柄指向一个方法表，该方法表处理该特定类型的特定方法。如果是值类型，则不需要查找方法表，因为值类型不支持继承，因此只有一种可能的方法/类型组合。

如果值类型支持继承，那么就会有额外的开销，因为结构的特定类型及其值必须放在堆栈上，这意味着对特定的具体实例进行某种方法表查找方式。这将消除值类型的速度和效率优势。

Answer 7

有一点我想更正。尽管不能继承结构的原因是因为它们存在于堆栈中是正确的，但它同样是正确的解释。结构，像任何其他值类型一样可以存在于堆栈中。因为这取决于变量的声明位置，它们要么存在于 stack 中，要么存在于 heap 中。这将是当它们分别是局部变量或实例字段时。

Cecil Has a Name 说得很对。

我想强调这一点，值类型可以存在于堆栈中。这并不意味着他们总是这样做。局部变量，包括方法参数，将。所有其他人都不会。尽管如此，这仍然是他们不能被继承的原因。 :-)

Answer 8

the docs 是这样说的：

结构对于具有值语义的小型数据结构特别有用。复数、坐标系中的点或字典中的键值对都是结构的好例子。这些数据结构的关键是它们的数据成员很少，它们不需要使用继承或引用标识，并且可以使用值语义方便地实现它们，其中赋值复制值而不是引用。

基本上，它们应该保存简单的数据，因此不具有诸如继承之类的“额外功能”。它们在技术上可能支持某种有限的继承（不是多态，因为它们在堆栈上），但我相信不支持继承也是一种设计选择（就像 .NET 中的许多其他东西一样语言是。）

另一方面，我同意继承的好处，我认为我们都已经到了希望我们的struct 从另一个继承的地步，并意识到这是不可能的。但是到那时，数据结构可能已经非常先进了，无论如何它都应该是一个类。

Answer 9

这似乎是一个非常常见的问题。我想添加值类型存储在您声明变量的“就地”位置；除了实现细节之外，这意味着没有对象头说明了对象的某些内容，只有变量知道那里存在什么样的数据。

Answer 10

类继承是不可能的，因为结构直接放在堆栈上。继承结构会比它的父结构更大，但 JIT 不知道，并试图在太少的空间上放置太多。听起来有点不清楚，我们写个例子：

struct A {
    int property;
} // sizeof A == sizeof int

struct B : A {
    int childproperty;
} // sizeof B == sizeof int * 2

如果可能的话，它会在以下 sn-p 上崩溃：

void DoSomething(A arg){};

...

B b;
DoSomething(b);

空间分配给 A 的大小，而不是 B 的大小。