先谈一下我对Span的看法， span是指向任意连续内存空间的类型安全、内存安全的视图。
如果你了解【滑动窗口】， 对Span的操作还可以理解为 针对连续内存空间的 滑动窗口。
Span和Memory都是包装了可以在pipeline上使用的结构化数据的内存缓冲器,他们被设计用于在pipeline中高效传递数据。
定语解读
-
指向任意连续内存空间： 支持托管堆，原生内存、堆栈， 这个可从Span
的几个重载构造函数窥视一二。 -
类型安全： Span
是一个泛型 -
内存安全： Span
是一个 readonly ref struct数据结构, 用于表征一段连续内存的关键属性被设置成只读readonly， 保证了所有的操作只能在这段内存块内，不存在内存越界的风险。
// 截取自Span源码，表征一段连续内存的关键属性 Pointer & Length 都只能从构造函数赋值
public readonly ref struct Span<T>
{
/// <summary>A byref or a native ptr.</summary>
internal readonly ByReference<T> _reference;
/// <summary>The number of elements this Span contains.</summary>
private readonly int _length;
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
public Span(T[]? array)
{
if (array == null)
{
this = default;
return; // returns default
}
if (!typeof(T).IsValueType && array.GetType() != typeof(T[]))
ThrowHelper.ThrowArrayTypeMismatchException();
_reference = new ByReference<T>(ref MemoryMarshal.GetArrayDataReference(array));
_length = array.Length;
}
}
- 视图：操作结果会直接体现在底层的连续内存。
至此我们来看一个简单的用法， 利用span操作指向一段堆栈空间。
static void Main()
{
Span<byte> arraySpan = stackalloc byte[100]; // 包含指针和Length的只读指针, 类似于go里面的切片
byte data = 0;
for (int ctr = 0; ctr < arraySpan.Length; ctr++)
arraySpan[ctr] = data++;
arraySpan.Fill(1);
var arraySum = Sum(arraySpan);
Console.WriteLine($"The sum is {arraySum}"); // 输出100
arraySpan.Clear();
var slice = arraySpan.Slice(0,50); // 因为是只读属性， 内部New Span<>(), 产生新的切片
arraySum = Sum(slice);
Console.WriteLine($"The sum is {arraySum}"); // 输出0
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
static int Sum(Span<byte> array)
{
int arraySum = 0;
foreach (var value in array)
arraySum += value;
return arraySum;
}
- 此处Span
指向了特定的堆栈空间， Fill,Clear 等操作的效果直接体现到该段内存。 - 注意Slice切片方法，内部实质是产生新的Span，也是一个新的视图，对新span的操作会体现到原始底层数据结构。
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
public Span<T> Slice(int start)
{
if ((uint)start > (uint)_length)
ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException();
return new Span<T>(ref Unsafe.Add(ref _reference.Value, (nint)(uint)start /* force zero-extension */), _length - start);
}
从Slice切片源码，看到利用现有的ptr 和length，产生了新的操作视图，ptr的计算有赖于原ptr移动指针，但是依旧是作用在原始数据块上。
衍生技能点
我们再细看Span的定义， 有几个关键词建议大家温故而知新。
- readonly strcut ：从C#7.2开始，你可以将readonly作用在struct上，指示该struct不可改变。
span
被定义为readonly struct，内部属性自然也是readonly，从上面的分析和实例看我们可以针对Span表征的特定连续内存空间做内容更新操作；
如果想限制更新该连续内存空间的内容， C#提供了ReadOnlySpan<T>类型， 该类型强调该块内存只读，也就是不存在Span拥有的Fill，Clear等方法。
一线码农大佬写了文章讲述[使用span对字符串求和]的姿势，大家都说使用span能高效操作内存，我们对该用例BenchmarkDotnet压测。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Buffers;
using System.Runtime.CompilerServices;
using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
namespace ConsoleApp3
{
public class Program
{
static void Main()
{
var summary = BenchmarkRunner.Run<MemoryBenchmarkerDemo>();
}
}
[MemoryDiagnoser,RankColumn]
public class MemoryBenchmarkerDemo
{
int NumberOfItems = 100000;
// 对字符串切割， 会产生字符串小对象
[Benchmark]
public void StringSplit()
{
for (int i = 0; i < NumberOfItems; i++)
{
var s = "97 3";
var arr = s.Split(new string[] { " " }, StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);
var num1 = int.Parse(arr[0]);
var num2 = int.Parse(arr[1]);
_ = num1 + num2;
}
}
// 对底层字符串切片
[Benchmark]
public void StringSlice()
{
for (int i = 0; i < NumberOfItems; i++)
{
var s = "97 3";
var position = s.IndexOf(' ');
ReadOnlySpan<char> span = s.AsSpan();
var num1 = int.Parse(span.Slice(0, position));
var num2 = int.Parse(span.Slice(position));
_= num1+ num2;
}
}
}
}
解读：
对字符串运行时切分，不会利用驻留池，于是case1会在堆分配大量string小对象，对gc造成压力；
case2对底层字符串切片，虽然会产生不同的透视对象Span， 但是实际还是指向的原始内存块的偏移区间，不存在内存分配。
- ref struct:从C#7.2开始，ref可以作用在struct，指示该类型被分配在堆栈上，并且不能转义到托管堆。
Span
,ReadonlySpan 包装了对于任意连续内存快的透视操作，但是只能被存储堆栈上，不适用于一些场景，例如异步调用，.NET Core 2.1为此新增了Memory , ReadOnlyMemory ， 可以被存储在托管堆上, 按下不表。
最后用一张图总结
