一：背景

1. 講故事

這兩天工作上太忙沒有及時持續的文章產出，和大家說聲抱歉，前幾天群里一個朋友在問什么時候可以產出 Span 的下一篇，哈哈，這就來啦！讀過上一篇的朋友應該都知道 Span 統一了 .NET 程序 棧 + 托管 + 非托管 實現了三大塊內存的統一訪問，????????，而且在 .net 底層 Library 中也是一等公民的存在，很多現有的類都提供了對 Span / ReadOnlySpan 的支持。

• String 對 Span / ReadOnlySpan 的支持

public?sealed?class?String{[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)][NullableContext(0)]public?extern?String(ReadOnlySpan<char>?value);}

• StringBuilder 對 Span / ReadOnlySpan 的支持

public?sealed?class?StringBuilder?:?ISerializable{public?unsafe?StringBuilder?Append(ReadOnlySpan<char>?value){if?(value.Length?>?0){fixed?(char*?value2?=?&MemoryMarshal.GetReference(value)){Append(value2,?value.Length);}}return?this;}}

• Int 對 Span / ReadOnlySpan 的支持

public?readonly?struct?Int32{public?static?int?Parse(ReadOnlySpan<char>?s,?NumberStyles?style?=?NumberStyles.Integer,?IFormatProvider??provider?=?null){NumberFormatInfo.ValidateParseStyleInteger(style);return?Number.ParseInt32(s,?style,?NumberFormatInfo.GetInstance(provider));}}

怎么樣，這些通用 & 基礎的類都在大力對接 Span / ReadOnlySpan，更別說復雜類型了，其地位不言自明哈，接下來我們就從 Span 本身的機制聊起。

二：Span 原理探究

1. Span 源碼分析

靈活運用 Span 解決工作中的實際問題我相信大家應該沒什么毛病了，有了這個基礎再從 Span 的源碼 和 用戶態 和大家一起深度剖析，從源碼開始吧。

public?readonly?ref?struct?Span<T>{internal?readonly?ByReference<T>?_pointer;private?readonly?int?_length;}

上面代碼的 ref struct 可以看出，這個 Span 是只可以分配在棧上的值類型，然后就是里面的 _pointer 和 _length 兩個實例字段，不知道看完這兩個字段腦子里是不是有一幅圖，大概是這樣的。

可以清晰的看出，Span 就是用來映射一段可以連續訪問的內存地址，空間大小由 length 控制，開始位置由 _pointer 指定，是不是像極了指針????????????，是的，語言團隊要保證你的程序高性能，還得照護你的人身安全，出了各種手段，真是煞費苦心！????????????

2. Span 用戶態分析

雖然圖已經畫了，但還是有很多朋友希望眼見為實，必須實操演練，嘿嘿，無懼任何挑戰，那我先把上面的圖化成代碼：

static?void?Main(string[]?args){var?nums?=?new?int[]?{?1,?2,?3,?4,?5,?6?};var?span =?new?Span<int>(nums);Console.ReadLine();}

接下來我用 windbg 把線程棧中的 span 也找出來。

0:000>?!clrstack?-l OS?Thread?Id:?0x181c?(0)Child?SP???????????????IP?Call?Site 000000963277E5D0?00007ffc3e601434?ConsoleApp1.Program.Main(System.String[])?[E:\net5\ConsoleApp2\ConsoleApp1\Program.cs?@?13]LOCALS:0x000000963277E618?=?0x000001e956b8ab100x000000963277E608?=?0x000001e956b8ab20

從最后一行代碼可以看出：span 的棧地址是 0x000000963277E608，棧內容是：0x000001e956b8ab20，按照圖的理論：0x000001e956b8ab20 應該是 nums 數組元素 1 的內存地址，可以用 dp 驗證一下。

0:000>?dp?0x000001e956b8ab20 000001e9`56b8ab20??00000002`00000001?00000004`00000003 000001e9`56b8ab30??00000006`00000005?00000000`00000000 000001e9`56b8ab40??00007ffc`3e6c4388?00000000`00000000

從上面三行內存地址來看，數組的：1，2，3，4，5，6 依次排列，有些朋友可能有點小疑問，為啥 nums 的內存地址不是指向數組元素 1 的呢？那我來普及一下吧，先用 dp 喚出數組的內存地址。

0:000>?dp?0x000001e956b8ab10 000001e9`56b8ab10??00007ffc`3e69f090?00000000`00000006 000001e9`56b8ab20??00000002`00000001?00000004`00000003 000001e9`56b8ab30??00000006`00000005?00000000`00000000

可以看出，第一排為: 00007ffc3e69f090 0000000000000006, 前面的 8 byte 表示 數組 的 方法表地址，后面的 8byte 表示 6 ，也就是說數組有 6個元素，不信的話我截一張圖：

span 是由 _pointer + length 組成的，剛才的 _pointer 也給大家演示了，那 length 的值在哪里呢？因為 span 是 struct，所以需要用 dp 把剛才的線程棧最小的棧地址打出來就可以了。

到這里，我覺得我講的已經夠清楚了，如果還有點懵的話可以仔細想一想哈。

三：Span 在 String 和 List 的實踐

Span的應用場景真的是太多了，不可能在這篇一一列舉，這里我就舉兩個例子吧，讓大家能夠感受到 Span 的強大即可。

1. 在 String 上的應用

案例：如何高效的計算出用戶輸入的值 10+20 ?

1) ?傳統 Substring 做法

傳統的做法很簡單,截取唄，代碼如下：

static?void?Main(string[]?args){var?word?=?"10+20";var?splitIndex?=?word.IndexOf("+");var?num1?=?int.Parse(word.Substring(0,?splitIndex));var?num2?=?int.Parse(word.Substring(splitIndex?+?1));var?sum?=?num1?+?num2;Console.WriteLine($"{num1}+{num2}={sum}");Console.ReadLine();}

結果是很輕松的算出來了，但你仔細想想這里是不是有點什么問題，比如說為了從 word 中扣出 num，我用了兩次 SubString，就意味著會在 托管堆 上生成兩個 string，如果說我執行 1w 次話，那托管堆上會不會有 2w 個 string 呢？修改代碼如下：

for?(int?i?=?0;?i?<?10000;?i++){var?num1?=?int.Parse(word.Substring(0,?splitIndex));var?num2?=?int.Parse(word.Substring(splitIndex?+?1));var?sum?=?num1?+?num2;?}

然后看一下 托管堆 上 String 的個數

0:000>?!dumpheap?-type?String?-stat Statistics:MT????Count????TotalSize?Class?Name 00007ffc53a81e18????20167???????556538?System.String

托管堆上有 20167 個，挺恐怖的，真的是給 GC 添麻煩哈，這里還有 167 個是系統自帶的，接下來的問題是有沒有辦法替換 SubString 從而不生成臨時string呢？

2) ?新式 Span 做法

如果看懂了 Span 結構圖，你就應該會使用 _pointer + length 將 string 進行切片處理，對不對，代碼如下：

for?(int?i?=?0;?i?<?10000;?i++){var?num1?=?int.Parse(word.AsSpan(0,?splitIndex));var?num2?=?int.Parse(word.AsSpan(splitIndex));var?sum?=?num1?+?num2;?}

然后在 托管堆 驗證一下，是不是沒有 臨時 string 了？

0:000>?!dumpheap?-type?String?-stat Statistics:MT????Count????TotalSize?Class?Name 00007ffc53a51e18??????167????????36538?System.String

可以看到就只有 167 個系統字符串，性能也得到了不小的提升，????????????。

2. 在 List 上的應用

平時用 Span 的時候，更多的會應用到 Array 上面，畢竟 Array 在托管堆上是連續內存，方便 Span 在上面畫一個可視窗口，其實不僅僅是 Array，從 .NET5 ?開始在 List 上畫一個視圖也是可以的，截圖如下：

因為 List 的 CURD 會導致底層的 Array 忽長忽短或重新分配，也就無法實現物理上的連續內存，所以 Span 應用到 List 之后，希望List是不可變的，這也是官方的建議。

四：總結

總的來說，Span 在 .NET 底層框架中的地位是越來越顯著了，相信 netCore 追求更高更快的性能上 Span 一定大有可為，大家趕緊學起來，????????????

總結

以上是生活随笔為你收集整理的C# Span 源码解读和应用实践的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。