让你的程序性能起飞，Span<T>使用方法

概述：今天谈论的是，它已经讨论了几年了，因为它已经与C#7.2一起引入，并在.NET Core 2.1及更高版本的运行时中受支持。在本文中，我们将介绍一些如何使用的示例，并讨论为什么在编写下一行代码时应该考虑使用它。SpanTSpanT📖 什么SpanT?System.SpanT是 .NET 核心的新值类型。它支持对任意内存的连续区域的表示，无论该内存是与托管对象关联、由本机代码通过互操作提供还是位于堆栈上。在这样做的同时，它仍然提供具有类似阵列的性能特征的安全访问。🙄 是的，我也是，也有点困惑。让我们来分解一下！首先，它是一种类型，一种我可能会添加的值类型（C# 中有两种类型：引用类型和值类型

今天谈论的是，它已经讨论了几年了，因为它已经与C#7.2一起引入，并在.NET Core 2.1及更高版本的运行时中受支持。在本文中，我们将介绍一些如何使用的示例，并讨论为什么在编写下一行代码时应该考虑使用它。Span<T>Span<T>

📖 什么Span<T>?

System.Span<T>是 .NET 核心的新值类型。它支持对任意内存的连续区域的表示，无论该内存是与托管对象关联、由本机代码通过互操作提供还是位于堆栈上。在这样做的同时，它仍然提供具有类似阵列的性能特征的安全访问。🙄 是的，我也是，也有点困惑。让我们来分解一下！

首先，它是一种类型，一种我可能会添加的值类型（C# 中有两种类型：引用类型和值类型。引用类型的变量存储对其数据（对象）的引用，而值类型的变量直接包含其数据）。Span<T> 提供类型安全（即防止一种类型的对象窥视分配给另一个对象的内存）对内存的连续区域（**相邻、**下一个或一起）的访问。此内存可以位于堆、堆栈上，甚至可以由非托管内存组成。

Span<T> 提供对相邻内存区域的类型安全访问

开发人员通常不需要了解他们正在使用的库是如何实现的。但是，就 Span<T> 而言，至少对其背后的细节有一个基本的了解是值得的。正如我之前提到的，它的值类型，包含一个 ref 和一个长度，定义大致如下：

由于这个字段，我们可以通过引用（如 C 中的指针）传递一个值（对象、数组等），这样堆栈上就有一个 ref T。正因为如此，操作可以像对数组一样高效：索引到一个范围不需要计算来确定指针的开始及其开始偏移量，因为 ref 字段本身已经封装了两者。ref

由于此字段，我们可以通过引用传递值ref

因此，您还必须了解 span 只是底层内存的视图，而不是实例化内存块的方法。提供对内存的读写访问，并提供只读访问。因此，在同一数组上创建多个跨度会创建同一内存的多个视图。让我详细说明一下。Span<T>ReadOnlySpan<T>

假设您在堆的某个位置分配了一个字符串数组。您可以通过将 span 传递给 span 构造函数来围绕此字符串数组包装 span。这样做会将指针字段分配给数据开始的内存地址（数组的第 0 个元素），并将 length 字段设置为连续可访问元素的数量（在本例中为 4）

要进一步理解这一点，请考虑以下示例。让我们使用同一数组的切片创建两个跨度，将它们称为第一个视图和第二个视图。

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您可以看到 firstView 和 secondView 重叠，这不是问题，因为正如我之前提到的，Span<T> 只是底层内存的视图。

我们可以将 Span 与：

堆（托管对象）——例如数组、字符串
堆栈（通过 stackalloc）
本机/非托管（P/Invoke）

它非常有用，因为我们可以简单地对现有的内存块进行切片并对其进行管理，而不必复制它并分配新内存。

我们可以转换为 Span<T> 的类型列表：

阵列
指针
斯塔卡洛克
IntPtr

使用 _ReadOnlySpan<T>_我们可以转换上述所有内容和字符串。

好了，现在您了解了 Span<T> 的结构和基本实现，让我们继续进行优化。

🚀 如何优化？

考虑要求：我们需要一个方法，它接受一个数组并返回其 1/4 的元素，从中间元素开始。

想象一个没有 Span<T 的世界>如果我要写这篇文章，我会做这样的事情：return myArray.Skip(Size / 2).Take(Size / 4).ToArray();

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现在这行得通了，但我们需要将它与其他几个实现进行比较，因此为此，我们使用 BenchmarkDotNet，一个 .NET 的基准库。设计基准测试不是本文的范围，但它非常简单。阅读更多：

概述

创建新的控制台应用程序并安装 BenchmarkDotNet NuGet 包。我们支持：项目：经典和现代...

benchmarkdotnet.org

在我们的示例中，我们有 3 种方法来做同样的事情，一种是早期实现，另一种是 Array.Copy（），最后是 Span<T>（使用 AsSpan 扩展方法，在目标数组的一部分上从指定位置到指定长度创建新的只读跨度）。

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我们用 Annotation 创建了一个类，并有一个方法来填充数组。方法带有注释，使它们成为基准测试，方法设置为，当您运行此控制台应用程序时，您需要将解决方案协构设置为，而不是。BenchmarkDemo1 [MemoryDiagnoser]SetUp()[Benchmark]Original()BaselineReleaseDebug

好的，让我们谈谈结果。特别是摘要的_“均值_”和_“分配_”列。

您可以清楚地看到，对于所有三种尺寸，Span<T> 仅花费了大约 1 ns（纳秒），而其他方法花费的时间要长得多。另外，请注意 Span 的内存分配为 0。😮

让我们再举一个例子：给定一个格式为 “dd mm yyyy” 的字符串日期。将其转换为 DateTime。

通常我会做这样的事情。

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让我们对 Span 做同样的事情。为此，我们将使用一个名为 ReadOnlySpan<T> 的 Span<T> 版本。由于 span 是内存的同步访问器，因此只读 span 是只读内存的访问器。

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现在，当我们运行此基准测试时，我们会看到相同的优化。

0 分配和平均值减少 25%。

这些基准测试的完整源代码可以在这里找到。

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;

namespace SpanTDemo
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //BenchmarkRunner.Run<BenchmarkDemo1>();
            BenchmarkRunner.Run<BenchmarkDemo2>();
        }
    }

    [MemoryDiagnoser]
    public class BenchmarkDemo1
    {
        private int[] _myArray;

        [Params(100, 1000, 10000)]
        public int Size { get; set; }

        [GlobalSetup]
        public void SetUp()
        {
            _myArray = new int[Size];
            for (int index = 0; index < Size; index++)
            {
                _myArray[index] = index;
            }
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public int[] Original()
        {
            return _myArray.Skip(Size / 2).Take(Size / 4).ToArray();
        }

        [Benchmark]
        public int[] ArrayCopy()
        {
            var copy = new int[Size / 4];
            Array.Copy(_myArray, Size / 2, copy, 0, Size / 4);
            return copy;
        }

        [Benchmark]
        public Span<int> Span()
        {
            return _myArray.AsSpan().Slice(Size / 2, Size / 4);
        }
    }

    [MemoryDiagnoser]
    public class BenchmarkDemo2
    {
        private static readonly string _dateString = "01 05 1991";
        
        [Benchmark(Baseline = true)]
        public DateTime Original()
        {
            var day = _dateString.Substring(0, 2);
            var month = _dateString.Substring(3, 2);
            var year = _dateString.Substring(6);
            return new DateTime(int.Parse(year), int.Parse(month), int.Parse(day));
        }

        [Benchmark]
        public DateTime Span()
        {
            ReadOnlySpan<char> dateSpan = _dateString;
            var day = dateSpan.Slice(0, 2);
            var month = dateSpan.Slice(3, 2);
            var year = dateSpan.Slice(6);
            return new DateTime(int.Parse(year), int.Parse(month), int.Parse(day));
        }
    }
}

⚠️ Span<T> 的局限性

Span<T>是在堆栈上分配的 ref 结构，而不是在托管堆上分配的 ref 结构。Ref 结构类型有许多限制，以确保它们不能被提升到托管堆，包括它们不能被装箱（将值类型转换为类型或由此值类型实现的任何接口类型的过程），它们不能分配给 Object 类型的变量，或任何接口类型，它们不能是引用类型中的字段，也不能跨边界使用。此外，对两个方法 Equals（Object）和 GetHashCode 的调用会引发 NotSupportedException。objectdynamicawaityield

因为它是仅限堆栈的类型，因此不适用于许多需要在堆上存储对缓冲区的引用的方案。例如，对于进行异步方法调用的例程，情况就是如此。对于此类方案，可以使用互补的 System.Memory<T> 和 System.ReadOnlyMemory<T> 类型，这是将来讨论的另一个主题。