Span這個(gè)東西出來很久了，居然因?yàn)?.0又火起來了。
特別感謝RC兄弟提出這個(gè)話題。

問題的產(chǎn)生

問個(gè)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(gè)例子來回答這個(gè)問題：一個(gè)字符串，正常它是一個(gè)托管對(duì)象。

如果我們想解析整個(gè)字符串，我們會(huì)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(xiàn)在，我們轉(zhuǎn)到非托管內(nèi)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(gè)用于復(fù)制內(nèi)存的功能：

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

是不是很復(fù)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(huì)讓代碼變得復(fù)雜，而且并不安全 - 直到Span出現(xiàn)。

Span

在定義中，Span就是一個(gè)簡單的值類型。它真正的價(jià)值，在于允許我們與任何類型的連續(xù)內(nèi)存一起工作。

這些所謂的連續(xù)內(nèi)存，包括：

非托管內(nèi)存緩沖區(qū)
數(shù)組和子串
字符串和子字符串

在使用中，Span確保了內(nèi)存和數(shù)據(jù)安全，而且?guī)缀鯖]有開銷。

使用Span

要使用Span，需要設(shè)置開發(fā)語言為C# 7.2以上，并引用System.Memory到項(xiàng)目。

<PropertyGroup>
??<LangVersion>7.2LangVersion>
PropertyGroup>

使用低版本編譯器，會(huì)報(bào)錯(cuò)：Error CS8107 Feature 'ref structs' is not available in C# 7.0. Please use language version 7.2 or greater.。

Span使用時(shí)，最簡單的，可以把它想象成一個(gè)數(shù)組，它會(huì)做所有的指針運(yùn)算，同時(shí)，內(nèi)部又可以指向任何類型的內(nèi)存。

例如，我們可以為非托管內(nèi)存創(chuàng)建Span：

Span?stackMemory?=?stackalloc?byte[256];

IntPtr?unmanagedHandle?=?Marshal.AllocHGlobal(256);
Span?unmanaged?=?new?Span(unmanagedHandle.ToPointer(),?256);?
Marshal.FreeHGlobal(unmanagedHandle);

從T[]到Span的隱式轉(zhuǎn)換：

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

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();

Span創(chuàng)建完成后，就跟普通的數(shù)組一樣，有一個(gè)Length屬性和一個(gè)允許讀寫的index，因此使用時(shí)就和一般的數(shù)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?Slice(int?start);
Span?Slice(int?start,?int?length);

void?Clear();
void?Fill(T?value);

void?CopyTo(Span?destination);
bool?TryCopyTo(Span?destination);

我們用Span來實(shí)現(xiàn)一下文章開頭的復(fù)制內(nèi)存的功能：

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

看看，是不是非常簡單？

而且，使用Span時(shí)，運(yùn)行性能極佳。關(guān)于Span的性能，網(wǎng)上有很多評(píng)測(cè)，關(guān)注的兄弟可以自己去看。

Span的限制

Span支持所有類型的內(nèi)存，所以，它也會(huì)有相當(dāng)嚴(yán)格的限制。

在上面的例子中，使用的是堆棧內(nèi)存。所有指向堆棧的指針都不能存儲(chǔ)在托管堆上。因?yàn)榉椒ńY(jié)束時(shí)，堆棧會(huì)被釋放，指針會(huì)變成無效值，如果再使用，就是內(nèi)存溢出。

因此：Span實(shí)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(shè)置Span字段，它將被存儲(chǔ)在堆中。這是不允許的：

class?Impossible
{
????Span?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
{
????public?Span?first;
????public?Span?second;
}?

Span不能有接口實(shí)現(xiàn)

接口實(shí)現(xiàn)意味著數(shù)據(jù)會(huì)被裝箱。而裝箱意味著存儲(chǔ)在堆中。同時(shí)，為了防止裝箱，Span必須不實(shí)現(xiàn)任何現(xiàn)有的接口，例如最容易想到的IEnumerable。也許某一天，C#會(huì)允許定義由結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)的結(jié)口？

Span不能是異步方法的參數(shù)

異步在C#里絕對(duì)是個(gè)好東西。

不過對(duì)于Span，是另一件事。異步方法會(huì)創(chuàng)建一個(gè)AsyncMethodBuilder構(gòu)建器，構(gòu)建器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)異步狀態(tài)機(jī)。異步狀態(tài)機(jī)會(huì)將方法的參數(shù)放到堆上。所以，Span不能用作異步方法的參數(shù)。

Span不能是泛型的代入?yún)?shù)

看下面的代碼：

Span?Allocate()?=>?new?Span(new?byte[256]);

void?CallAndPrint(Func?valueProvider)?
{
????object?value?=?valueProvider.Invoke();

????Console.WriteLine(value.ToString());
}

void?Demo()
{
????Func>?spanProvider?=?Allocate;
????CallAndPrint>(spanProvider);
}

同樣也是裝箱的原因。

上面是Span的內(nèi)容。

下面簡單說一下另一個(gè)經(jīng)常跟Span一起提的內(nèi)容：Memory

Memory

Memory是一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型，它只能指向托管內(nèi)存，所以不具有僅限堆棧的限制。

Memory可以從托管數(shù)組、字符串或IOwnedMemory中創(chuàng)建，傳遞給異步方法或存儲(chǔ)在類的字段中。當(dāng)需要Span時(shí)，就調(diào)用它的Span屬性。它會(huì)根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建Span。然后在當(dāng)前范圍內(nèi)使用它。

看一下Memory的主要定義、屬性和方法：

public?readonly?struct?Memory
{
????private?readonly?object?_object;
????private?readonly?int?_index;
????private?readonly?int?_length;

????public?Span?Span?{?get;?}

????public?Memory?Slice(int?start)
????public?Memory?Slice(int?start,?int?length)
????public?MemoryHandle?Pin()
}

使用也很簡單：

byte[]?buffer?=?ArrayPool.Shared.Rent(16000?*?8);

while?((bytesRead?=?await?fileStream.ReadAsync(buffer,?0,?buffer.Length))?>?0)
{
????ParseBlock(new?ReadOnlyMemory(buffer,?start:?0,?length:?bytesRead));?
}

void?ParseBlock(ReadOnlyMemory?memory)
{
????ReadOnlySpan?slice?=?memory.Span;
}