Span這個東西出來很久了，居然因為5.0又火起來了。

特別感謝RC兄弟提出這個話題。

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相關知識

在大多數情況下，C#開發時，我們只使用托管內存。而實際上，C#為我們提供了三種類型的內存：

• 堆棧內存 - 最快速的內存，能夠做到極快的分配和釋放。堆棧內存使用時，需要用stackalloc進行分配。堆棧的一個特點是空間非常小（通常小于1 MB），適合CPU緩存。試圖分配更多堆棧會報出StackOverflowException錯誤并終止進程；另一個特點是生命周期非常短 - 方法結束時，堆棧會與方法的內存一起釋放。stackalloc通常用于必須不分配任何托管內存的短操作。一個例子是在corefx中記錄快速記錄ETW事件：要求盡可能快，并且需要很少的內存。

• 非托管內存 - 通過Marshal.AllocHGlobal或xMarshal.AllocCoTaskMem方法分配在非托管堆上的內存。這個內存對GC不可見，并且必須通過Marshal.FreeHGlobal或Marshal.FreeCoTaskMem的顯式調用來釋放。使用非托管內存，最主要的目的是不給GC增加額外的壓力，所以最經常的使用方式是在分配大量沒有指針的值類型時使用。在Kestrel的代碼中，很多地方用到了非托管內存。

• 托管內存 - 大多數代碼中最常用的內存，需要用new操作符來分配。之所以稱為托管（managed），因為它是被GC（垃圾管理器）管理的，由GC決定何時釋放內存，而不需要開發人員考慮。GC又將托管對象根據大小（85000字節）分為大對象和小對象。兩個對象的分配方式、速度和位置都有不同，小對象相對快點，大對象相對慢點。另外，兩種對象的GC回收成本也不一樣。

問題的產生

問個問題：寫了這么多年的C#，我們有用過指針嗎？有沒有想過為什么？

我們用個例子來回答這個問題：一個字符串，正常它是一個托管對象。

如果我們想解析整個字符串，我們會這么寫：

int?Parse(string?managedMemory);

那么，如果我們想只解析一部分字符串，該怎么寫？

int?Parse(string?managedMemory,?int?startIndex,?int?length);

現在，我們轉到非托管內存上：

unsafe?int?Parse(char*?pointerToUnmanagedMemory,?int?length); unsafe?int?Parse(char*?pointerToUnmanagedMemory,?int?startIndex,?int?length);

再延伸一下，我們寫幾個用于復制內存的功能：

void?Copy<T>(T[]?source,?T[]?destination);? void?Copy<T>(T[]?source,?int?sourceStartIndex,?T[]?destination,?int?destinationStartIndex,?int?elementsCount); unsafe?void?Copy<T>(void*?source,?void*?destination,?int?elementsCount); unsafe?void?Copy<T>(void*?source,?int?sourceStartIndex,?void*?destination,?int?destinationStartIndex,?int?elementsCount); unsafe?void?Copy<T>(void*?source,?int?sourceLength,?T[]?destination); unsafe?void?Copy<T>(void*?source,?int?sourceStartIndex,?T[]?destination,?int?destinationStartIndex,?int?elementsCount);

是不是很復雜？而且看上去并不安全？

所以，問題并不在于我們能不能用，而在于這種支持會讓代碼變得復雜，而且并不安全 - 直到Span出現。

Span

在定義中，Span就是一個簡單的值類型。它真正的價值，在于允許我們與任何類型的連續內存一起工作。

這些所謂的連續內存，包括：

• 非托管內存緩沖區

• 數組和子串

• 字符串和子字符串

在使用中，Span確保了內存和數據安全，而且幾乎沒有開銷。

使用Span

要使用Span，需要設置開發語言為C# 7.2以上，并引用System.Memory到項目。

<PropertyGroup><LangVersion>7.2</LangVersion> </PropertyGroup>

使用低版本編譯器，會報錯：Error CS8107 Feature 'ref structs' is not available in C# 7.0. Please use language version 7.2 or greater.。

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Span使用時，最簡單的，可以把它想象成一個數組，它會做所有的指針運算，同時，內部又可以指向任何類型的內存。

例如，我們可以為非托管內存創建Span：

Span<byte>?stackMemory?=?stackalloc?byte[256];IntPtr?unmanagedHandle?=?Marshal.AllocHGlobal(256); Span<byte>?unmanaged?=?new?Span<byte>(unmanagedHandle.ToPointer(),?256);? Marshal.FreeHGlobal(unmanagedHandle);

從T[]到Span的隱式轉換：

char[]?array?=?new?char[]?{?'i',?'m',?'p',?'l',?'i',?'c',?'i',?'t'?}; Span<char>?fromArray?=?array;

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此外，還有ReadOnlySpan，可以用來處理字符串或其他不可變類型：

ReadOnlySpan<char>?fromString?=?"Hello?world".AsSpan();

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Span創建完成后，就跟普通的數組一樣，有一個Length屬性和一個允許讀寫的index，因此使用時就和一般的數組一樣使用就好。

看看Span常用的一些定義、屬性和方法：

Span(T[]?array); Span(T[]?array,?int?startIndex); Span(T[]?array,?int?startIndex,?int?length); unsafe?Span(void*?memory,?int?length);int?Length?{?get;?} ref?T?this[int?index]?{?get;?set;?}Span<T>?Slice(int?start); Span<T>?Slice(int?start,?int?length);void?Clear(); void?Fill(T?value);void?CopyTo(Span<T>?destination); bool?TryCopyTo(Span<T>?destination);

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我們用Span來實現一下文章開頭的復制內存的功能：

int?Parse(ReadOnlySpan<char>?anyMemory); int?Copy<T>(ReadOnlySpan<T>?source,?Span<T>?destination);

看看，是不是非常簡單？

而且，使用Span時，運行性能極佳。關于Span的性能，網上有很多評測，關注的兄弟可以自己去看。

Span的限制

Span支持所有類型的內存，所以，它也會有相當嚴格的限制。

在上面的例子中，使用的是堆棧內存。所有指向堆棧的指針都不能存儲在托管堆上。因為方法結束時，堆棧會被釋放，指針會變成無效值，如果再使用，就是內存溢出。

因此：Span實例也不能駐留在托管堆上，而只能駐留在堆棧上。這又引出一些限制。

Span不能是非堆棧類型的字段

如果在類中設置Span字段，它將被存儲在堆中。這是不允許的：

class?Impossible {Span<byte>?field; }

不過，從C# 7.2開始，在其他僅限堆棧的類型中有Span字段是可以的：

ref?struct?TwoSpans<T> {public?Span<T>?first;public?Span<T>?second; }?

Span不能有接口實現

接口實現意味著數據會被裝箱。而裝箱意味著存儲在堆中。同時，為了防止裝箱，Span必須不實現任何現有的接口，例如最容易想到的IEnumerable。也許某一天，C#會允許定義由結構體實現的結口？

Span不能是異步方法的參數

異步在C#里絕對是個好東西。

不過對于Span，是另一件事。異步方法會創建一個AsyncMethodBuilder構建器，構建器會創建一個異步狀態機。異步狀態機會將方法的參數放到堆上。所以，Span不能用作異步方法的參數。

Span不能是泛型的代入參數

看下面的代碼：

Span<byte>?Allocate()?=>?new?Span<byte>(new?byte[256]);void?CallAndPrint<T>(Func<T>?valueProvider)? {object?value?=?valueProvider.Invoke();Console.WriteLine(value.ToString()); }void?Demo() {Func<Span<byte>>?spanProvider?=?Allocate;CallAndPrint<Span<byte>>(spanProvider); }

同樣也是裝箱的原因。

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上面是Span的內容。

下面簡單說一下另一個經常跟Span一起提的內容：Memory

Memory

Memory是一個新的數據類型，它只能指向托管內存，所以不具有僅限堆棧的限制。

Memory可以從托管數組、字符串或IOwnedMemory中創建，傳遞給異步方法或存儲在類的字段中。當需要Span時，就調用它的Span屬性。它會根據需要創建Span。然后在當前范圍內使用它。

看一下Memory的主要定義、屬性和方法：

public?readonly?struct?Memory<T> {private?readonly?object?_object;private?readonly?int?_index;private?readonly?int?_length;public?Span<T>?Span?{?get;?}public?Memory<T>?Slice(int?start)public?Memory<T>?Slice(int?start,?int?length)public?MemoryHandle?Pin() }

使用也很簡單：

byte[]?buffer?=?ArrayPool<byte>.Shared.Rent(16000?*?8);while?((bytesRead?=?await?fileStream.ReadAsync(buffer,?0,?buffer.Length))?>?0) {ParseBlock(new?ReadOnlyMemory<byte>(buffer,?start:?0,?length:?bytesRead));? }void?ParseBlock(ReadOnlyMemory<byte>?memory) {ReadOnlySpan<byte>?slice?=?memory.Span; }

總結

Span存在很長時間了，只是5.0做了一些優化。

用好了，對代碼是很好的補充和優化，用不好，就會有給自己刨很多個坑。

所以，耗子尾汁。

喜歡就來個三連，讓更多人因你而受益

總結

以上是生活随笔為你收集整理的关于C# Span的一些实践的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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