透视C# Span<T>数据结构
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,可操作的滑动窗口。
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
这里面许多定语,值得我们细细揣摩:
1. 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。
2. 类型安全:Span 是一个泛型。
3. 内存安全: Span[1]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内。
// 截取自Span源码
public readonly ref struct Span<T>
{// 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/// <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;}
}
4. 视图:操作结果会直接体现到底层的连续内存。
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($"The sum is {arraySum}"); // 输出100arraySpan.Clear();var slice = arraySpan.Slice(0,50); // 因为是只读属性, 内部New Span<>(), 产生新的切片arraySum = Sum(slice);Console.WriteLine($"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,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切片源码可以看到,实质是利用原ptr & length 产生包含新的ptr & length的操作视图, ptr其实是指针的移动,也就是定位新的数据块, 但是终归是在原始数据块内部。
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。
1. readonly strcut[2]
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;}}}
}
压测解读:
对字符串运行时切分,不会利用驻留池,于是case1会分配大量小对象;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, 但是实际引用了的原始内存块的偏移区间, 不存在分配新内存。
2. ref struct[3]
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[4] , ReadOnlyMemory, 可以被存储在托管堆上,这个暂时按下不表。
最后用一张图总结, 本文成文,感谢[ yi念之间 ]大佬参与讨论。
引用链接
[1]
Span: https://github.com/dotnet/runtime/blob/main/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Span.cs
[2]
readonly strcut: https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/struct#readonly-struct
[3]
ref struct: https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/struct
[4]
Memory: https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/memory-and-spans/memory-t-usage-guidelines
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