C#: entendendo classes e structs

Quando estamos nos aprofundando no aprendizado de alguma linguagem de programação, por vezes nos deparamos com algumas características bem singulares, específicas de uma determinada linguagem e a outras que são comuns a várias, como, por exemplo, os tipos de estrutura de dados disponíveis.

Em linguagens orientadas a objetos a estrutura mais utilizada sem sombra de dúvidas são as classes.

Mas será que sempre a melhor estrutura a ser criada será uma classe? Qual o custo computacional na utilização de uma classe em comparação a um tipo de valor?

No C#, como na linguagem C, existe um tipo de estrutura, que inclusive é muito utilizada pelo próprio framework .NET, mas que não possui todo o “glamour” das classes. Estamos falando das structs, que podem ser de grande ajuda para criarmos códigos para trabalhar pequenos conjuntos de dados.

Mas como criamos uma estrutura? Em quais situações devo utilizar? E, a clássica pergunta: usar classes ou structs? No texto a seguir, responderemos a alguns destes questionamentos.

O que são classes?

As diversas literaturas técnicas disponíveis definem a classe como sendo um molde para a criação de objetos. Uma definição bem interessante é a do Everton Araújo, autor do livro Orientação a Objetos em C#, da Casa do Código.

Para Araújo, uma classe "é um conjunto ou um conjunto de objetos que compartilham de propriedades e métodos em comum."

Mas este conceito de classes e objetos nos leva ao paradigma de programação da orientação a objetos, que é um estilo de pensar e programar um software levando em consideração aspectos da nossa realidade, como, por exemplo, um carro, uma pessoa ou mesmo conceitos mais abstratos como uma conta bancária.

Então, com base nessas definições imagine que você está lendo um determinado livro, para ser mais exato o livro do Everton Araújo. Esse livro é um objeto, correto? Quantas páginas este livro tem? Todo livro possui algumas características como título, editora, autor, número de páginas, entre outras.

Podemos ir além e expandir essas características a outros objetos que se classificam como livros, certo? Se sim, podemos criar uma classe que irá conter tais características. No C# podemos definir uma classe como mostrada a seguir:

public class Livro
    {
        public string Titulo { get; set; }
        public string Autor { get; set; }
        public int NumeroPaginas { get; set; }
        public bool PossuiISBN { get; set; }
        public string ISBN { get; set; }
        public DateTime AnoPublicacao { get; set; }
         public string DadosLivro()
        {
            return 
quot;Título: {this.Titulo}"+
                   
quot;Autor: {this.Autor}";
        }
    }

Para fazer uso de objetos de uma determinada classe, precisamos criar objetos desta classe. Estas estruturas irão receber os valores de propriedades para representar um “objeto” que existe no mundo real. Um exemplo em código:

Livro livro = new Livro()
{
    Titulo = "Orientação a Objetos em C#",
    Autor = "Everton Araújo",
    NumeroPaginas = 236,
    AnoPublicacao = 2020,
    PossuiISBN = true,
    ISBN = "978-65-86110-00-5"
};

Bacana! Mas existe outra forma de representar uma estrutura de dados que não seja uma classe? Sim! O C# possui as chamadas Structs, que em determinadas situações podem ser usadas no lugar das classes.

Mas, afinal, o que são Structs?

As structs, muito comuns na linguagem C, têm como objetivo estruturar alguns dados comuns a um mesmo contexto, bem parecida com a ideia de classes. No C#, uma struct é semelhante a uma classe, porém esta é definida como sendo um tipo de valor enquanto a classe é um tipo de referência.

Vamos a um exemplo de definição de uma struct:

public struct Pessoa
{
    public int Idade { get; set; }
    public string Nome { get; set; }
    public string Cpf { get; set; }
    public string Email { get; set; }
    public override string ToString()
    {
        return 
quot;Nome: {this.Nome}" +
               
quot;Email: {this.Email}";
    }
}

Uma struct é muito útil para aquelas situações nas quais precisamos de poucas variáveis, pois os objetos criados com base em structs são mais leves e por ser do tipo de valor não trabalham com referências.

Uma struct pode possuir construtores, campos, propriedades, métodos, indexadores. Uma struct pode ainda implementar uma interface, porém não existe herança entre structs. Para utilizar um objeto criado com base em uma estrutura, podemos fazer:

Pessoa pessoa= new();
pessoa.Cpf = "111.111.111-66";
pessoa.Nome = "André Silva";
pessoa.Email = "[email protected]";
pessoa.Idade = 36;

Ou seja, da mesma forma como criamos uma classe.

Resumindo as características das structs:

• É um tipo de valor.
• Quando definido o construtor o mesmo deve possuir parâmetros.
• Não é possível iniciar um campo a não ser por seu construtor.
• Uma struct não pode ser a base de uma outra struct ou classe.

Usar classes ou struct?

Mas quando usar classe ou struct?Uma struct possui sintaxe e definição similar a uma classe com algumas limitações mas mesmo assim de fácil entendimento e implementação. Para responder se devemos usar classes ou struct vamos voltar a falar de tipo de valor (value-type) e por referência (reference-type).

No geral, o compilador trabalha com duas grandes áreas na memória para a manipulação dos dados: stack e heap. Veja na imagem a seguir uma abstração:

A área que define a stacké bem menor em comparação a área do heap, e ambas trabalham como uma abstração de uma pilha ( o último que entra é o primeiro a sair), porém cada uma com um tipo de acesso distinto.

Quando criamos tipos de dados mais leves como os “tipos primitivos” e structs estes são armazenados diretamente na stack, por serem tipos que consomem pouco espaço em memória. A stack tem uma performance bem melhor na busca de dados em seu interior, por possuir um espaço menor. Por exemplo:

Na imagem, observe que a declaração da variável idade fica junto a seu valor, daí a definição de tipo de valor (value-type), e o acesso do compilador é bem rápido. Para os tipos mais complexos como classes, objects, interfaces, delegates e strings estes são armazenados no heap como mostrado na imagem a seguir:

Contudo, o compilador não faz acesso direto a heap. Por que? A resposta é: por ser uma área muito grande! E, no caso de procurar um objeto do tipo Livro, poderia levar um tempo considerável para otimizar o acesso a heap, por isso o processador faz uso da stack ( que é mais rápida e menor) para fazer essa jogada. O compilador cria uma referência na stack apontando para a memória heap onde está o objeto.

Esse espaço na memória stack que aponta para uma posição na heap é o que definimos como ponteiro, e na imagem usamos a notação de asterisco para identificar. Em resumo, declaramos um ponteiro na stack que guarda uma referência para uma posição na heap, daí a definição de tipo de referência (reference-type).

Tipos de referência são construídos usando a palavra reservada new que indica que um espaço na memória heap deverá ser reservada para um determinado objeto.

Lembre-se que structs são tipos de valor, ou seja são armazenadas na stack, e esta apesar de ser mais rápida, possui um espaço muito menor em comparação a heap. Portanto, as structs são indicadas para quando necessitarmos de um conjunto de dados menores.

Por exemplo, no código apresentado para a struct Pessoa, caso fosse necessário um grande número de propriedades e campos, e a instanciação de vários objetos do tipo Pessoa, é mais interessante que o mesmo seja criado como uma classe, para evitar o estouro da memória stack. Na imagem abaixo a representação da struct Pessoa na Stack.

Vale lembrar que a biblioteca de classes do .NET também faz uso de structs para definir uma série de tipos e funcionalidades, por exemplo os tipos como int, float ou bool são structs que herdam de uma classe base object.

Outro exemplo é a struct DateTime para trabalharmos a data e hora do sistema em nossas aplicações. Bem bacana não é?

Conclusão

Com este artigo, revisitamos brevemente a definição de classes da orientação a objetos e os tipos de valor e tipos por referência para entendermos o que são as structs como defini-las e como elas se diferenciam das classes.

Utilizar corretamente structs em nossos projetos pode ser um diferencial que confira uma maior performance e entender que nem toda estrutura que seja um pouco mais complexa precisa ser definida em uma classe. E aí, curtiu? Vamos programar! 😉

Para saber mais sobre classes e structs, veja:

• Curso C#: orientação a objetos na Alura
• Curso C#: explorando a linguagem na Alura
• Artigo POO: o que é programação orientada a objetos? no blog Alura
• Documentação Oficial da MS Estruturas