ref struct

C#中的ref struct是在C# 7.2版本中引入的。它是一种特殊的结构体，用于表示只能分配在栈上的类型，不能被装箱（即不能转换为object）。

ref struct 的引入主要是为了解决某些高性能场景下的内存管理问题，它可以确保实例只存在于栈上，减少垃圾回收的开销。

由于ref struct 不能被装箱，因此在之前的版本中，它不能实现接口，也不能作为其他结构体的字段或泛型约束的类型参数。

在C# 7.2 之前，如果需要使用类似ref struct的功能，需要使用不安全的指针，这可能会导致安全问题。ref struct 的出现，允许开发者在安全的代码中实现高性能的功能。

C# 13 允许ref struct实现接口，这进一步增强了其在设计和实现高性能组件时的灵活性。

以下是ref struct最适合的应用场景及代码示例：

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核心适用场景

1. 高性能数值计算

public ref struct Matrix3x3
{
    public float M11, M12, M13;
    public float M21, M22, M23;
    public float M31, M32, M33;

    // 避免创建新对象，直接修改当前实例
    public void Multiply(ref Matrix3x3 other)
    {
        // 矩阵乘法直接在栈上操作
        // ... 高性能计算实现 ...
    }
}

// 使用
var mat1 = new Matrix3x3();
var mat2 = new Matrix3x3();
mat1.Multiply(ref mat2); // 零堆分配

2. 内存敏感的解析器/序列化器

public ref struct JsonParser
{
    private readonly ReadOnlySpan<char> _json; // 直接引用源数据
    
    public JsonParser(string json) => _json = json.AsSpan();

    public bool TryParseInt(out int value)
    {
        // 直接在原始数据Span上解析
        if (int.TryParse(_json, out value))
            return true;
        
        value = default;
        return false;
    }
}

// 使用 - 避免复制大字符串
var parser = new JsonParser(largeJsonString);
parser.TryParseInt(out int id); // 无堆分配

3. 低级内存操作

unsafe ref struct MemoryWriter
{
    private Span<byte> _buffer;
    private int _position;

    public MemoryWriter(Span<byte> buffer) => _buffer = buffer;

    public void WriteInt(int value)
    {
        // 直接写入内存Span
        BinaryPrimitives.WriteInt32LittleEndian(
            _buffer.Slice(_position), value);
        _position += sizeof(int);
    }
}

// 使用
byte[] data = new byte[1024];
var writer = new MemoryWriter(data);
writer.WriteInt(42); // 直接操作数组内存

4. 与栈分配 Span 配合使用

public ref struct ImageProcessor
{
    public Span<byte> Pixels;
    
    public void ApplyGrayscale()
    {
        for (int i = 0; i < Pixels.Length; i += 4)
        {
            byte gray = (byte)((Pixels[i] + Pixels[i+1] + Pixels[i+2]) / 3);
            Pixels[i] = Pixels[i+1] = Pixels[i+2] = gray;
        }
    }
}

// 使用
byte[] imageData = GetLargeImage();
new ImageProcessor { Pixels = imageData }.ApplyGrayscale(); // 零拷贝处理

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关键特性与限制

特性	说明	性能影响
栈独占分配	无法装箱、不能作为类字段、不能实现接口	避免GC暂停
零内存拷贝	直接操作内存Span	减少大对象复制开销
无虚方法调用	禁止实现接口	消除虚表查找开销
生命周期限制	不能跨await/yield边界	保证栈分配安全

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何时应避免使用

1. 需要长期存储：不能存储在堆对象中（如类字段）

   class Cache {
       // 错误：ref struct不能作为类字段
       // private Matrix3x3 _cachedMatrix; 
   }
   

2. 异步方法中：不能跨await使用

   async Task ProcessAsync() {
       var parser = new JsonParser(json); // 允许
       
       await Task.Delay(100); // 异步点
       
       // 错误：parser生命周期已结束
       // parser.TryParseInt(out int value); 
   }
   

3. 需要多态行为：不能实现接口或作为基类

   // 错误：ref struct不能实现接口
   // public ref struct Vector : IComparable<Vector> { ... }
   

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最佳实践指南

1. 优先用于热路径：在性能关键的代码段中使用
2. 保持小型化：结构体大小 < 128字节（避免栈溢出）
3. 结合Span<T>使用：处理内存切片时效率最高
4. 明确生命周期：确保不跨越安全边界（如异步操作）

// 高性能示例：图像处理管道
public static void ProcessImage(Span<byte> pixels)
{
    // 栈上创建处理器链
    var step1 = new ColorAdjuster(pixels);
    var step2 = new NoiseReducer(pixels);
    var step3 = new Sharpener(pixels);
    
    step1.Execute();
    step2.Execute();
    step3.Execute(); // 所有操作在栈上完成
}

总结：
ref struct是优化关键性能路径的利器，它通过限制结构体的内存分配和使用，提高了代码的性能和安全性 ;

ref struct特别适合数值计算、内存操作和数据解析场景。

它通过牺牲灵活性换取极致性能，在游戏引擎、网络协议栈、实时数据处理等场景价值巨大。使用时务必严格遵守生命周期规则！

参考：https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/ref-struct