掌握C#中的Span<T>和Memory<T>：高性能内存操作的利器

在.NET开发中，内存管理一直是影响性能的关键因素。传统的字符串处理、数组操作等往往伴随着大量的内存分配和复制操作，这些不必要的开销在高性能场景下尤为明显。

为了解决这个问题，.NET Core 2.1引入了Span和Memory这两个强大的类型，它们能够：

显著减少内存分配
提升数据操作性能
安全地访问连续内存区域
支持多种内存来源的统一操作

Span：栈上分配的高性能利器

Span的本质

Span是一个栈分配的结构体(值类型)，它提供了一种不需要额外内存分配就能操作连续内存区域的方法。

C#

int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> span = numbers; 
span[0] = 10; 
Console.WriteLine(numbers[0]);

注意：数组堆上分配的引用类型，与Span还是有区别的，Span无GC压力。

Span与字符串处理

传统的字符串处理方法如Substring()会创建新的字符串实例，而使用Span可以避免这种额外的内存分配：

C#
using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        string orderData = "ORD-12345-AB: 已发货";
        
        // 传统方式 - 创建新的字符串对象
        string orderId1 = orderData.Substring(0, 11); // 分配新内存
        string status1 = orderData.Substring(13);     // 再次分配新内存
        
        // 使用Span<T> - 不创建新的字符串对象
        ReadOnlySpan<char> dataSpan = orderData.AsSpan();
        ReadOnlySpan<char> orderId2 = dataSpan.Slice(0, 11); // 不分配新内存
        ReadOnlySpan<char> status2 = dataSpan.Slice(13);     // 不分配新内存
        
        // 必要时才将Span转换为string
        Console.WriteLine($"订单号: {orderId2.ToString()}");
        Console.WriteLine($"状态: {status2.ToString()}");
    }
}

使用stackalloc与Span

Span可以直接与栈上分配的内存一起使用，避免堆分配的开销：

C#
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace AppSpanMemory
{
    internal class Program
    {
        static unsafe void Main()
        {
            Span<int> stackNums = stackalloc int[100];

            for (int i = 0; i < stackNums.Length; i++)
            {
                stackNums[i] = i * 10;
            }

            // 获取Span起始位置的指针
            void* ptr = Unsafe.AsPointer(ref MemoryMarshal.GetReference(stackNums));

            Console.WriteLine($"Span内存地址: 0x{(ulong)ptr:X}");

            // 打印前10个元素
            var firstTen = stackNums.Slice(0, 10);
            foreach (var n in firstTen)
            {
                Console.Write($"{n} ");
            }
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

Span的关键特性

零内存分配：操作数据时不创建额外的内存对象
类型安全：提供类型检查，避免类型转换错误
可用于多种内存来源：数组、固定大小缓冲区、栈分配内存、非托管内存等
性能优势：适用于高性能计算和数据处理场景
限制：只能在同步方法中使用，不能作为类的字段

Memory：异步操作的理想选择

Memory的定位

Memory是Span的堆分配版本，主要用于支持异步操作场景。

C#
// Memory<T>的基本使用
Memory<int> memory = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> spanFromMemory = memory.Span; // 从Memory获取Span视图
spanFromMemory[0] = 20;
Console.WriteLine(memory.Span[0]);

Memory与异步文件操作

Memory在处理异步I/O操作时特别有用：

C#
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace AppSpanMemory
{
    internal class Program
    {
        static async Task Main()
        {
            // 创建一个4KB的缓冲区
            byte[] buffer = new byte[4096];
            Memory<byte> memoryBuffer = buffer; 

            using FileStream fileStream = new FileStream("bigdata.dat", FileMode.Open, FileAccess.Read);
            int bytesRead = await fileStream.ReadAsync(memoryBuffer);

            if (bytesRead > 0)
            {
                Memory<byte> actualData = memoryBuffer.Slice(0, bytesRead);
                ProcessData(actualData.Span);
            }

            Console.WriteLine($"读取了 {bytesRead} 字节的数据");
        }

        static void ProcessData(Span<byte> data)
        {
            Console.WriteLine($"前10个字节: {BitConverter.ToString(data.Slice(0, Math.Min(10, data.Length)).ToArray())}");
        }
    }
}

Memory的关键特性

异步友好：可以在异步方法中使用
不绑定执行上下文：可以在方法之间传递
可作为类字段：可以存储在类中长期使用
性能略低：相比Span有轻微的性能开销
更灵活：可用于更多场景

Span与Memory的对比选择

特性	Span	Memory
分配位置	栈	堆
异步支持	不支持	支持
性能表现	更高	稍低
适用场景	同步高性能操作	异步操作、跨方法传递
可否作为字段	不可以	可以
生命周期	方法范围内	可长期存在

实战应用场景

高性能字符串解析

C#
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace AppSpanMemory
{
    internal class Program
    {
        static async Task Main()
        {
            string csvLine = "张三,30,北京市海淀区,软件工程师";
            ParseCsvLine(csvLine.AsSpan());
        }

        public static void ParseCsvLine(ReadOnlySpan<char> line)
        {
            int start = 0;
            int fieldIndex = 0;

            for (int i = 0; i < line.Length; i++)
            {
                if (line[i] == ',')
                {
                    // 不创建新字符串
                    ReadOnlySpan<char> field = line.Slice(start, i - start);
                    ProcessField(fieldIndex, field);

                    start = i + 1;
                    fieldIndex++;
                }
            }

            // 处理最后一个字段
            if (start < line.Length)
            {
                ReadOnlySpan<char> lastField = line.Slice(start);
                ProcessField(fieldIndex, lastField);
            }
        }

        private static void ProcessField(int index, ReadOnlySpan<char> field)
        {
            Console.WriteLine($"字段 {index}: '{field.ToString()}'");
        }

    }
}

二进制数据处理

C#
using System;
using System.Buffers.Binary;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Text;

namespace AppSpanMemory
{
    internal class Program
    {
        static async Task Main()
        {
            string csvLine = "张三,30,北京市海淀区,软件工程师";

            byte[] payloadBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(csvLine);

            // 头部4字节 + 数据长度4字节 + 数据体
            byte[] fileData = new byte[4 + 4 + payloadBytes.Length];

            // 写入头部标识 "DATA"
            fileData[0] = (byte)'D';
            fileData[1] = (byte)'A';
            fileData[2] = (byte)'T';
            fileData[3] = (byte)'A';

            // 写入数据长度（小端）
            BinaryPrimitives.WriteInt32LittleEndian(fileData.AsSpan(4, 4), payloadBytes.Length);

            // 写入数据体
            payloadBytes.CopyTo(fileData.AsSpan(8));

            // 传入文件字节数据的只读切片
            ProcessBinaryFile(fileData);
        }

        public static void ProcessBinaryFile(ReadOnlySpan<byte> data)
        {
            // [4字节头部标识][4字节数据长度][实际数据]
            if (data.Length < 8)
            {
                throw new ArgumentException("数据格式不正确");
            }

            // 检查头部标识"DATA"
            ReadOnlySpan<byte> header = data.Slice(0, 4);
            if (!(header[0] == 'D' && header[1] == 'A' && header[2] == 'T' && header[3] == 'A'))
            {
                throw new ArgumentException("无效的文件头");
            }

            // 读取数据长度 (小端字节序)
            int dataLength = BinaryPrimitives.ReadInt32LittleEndian(data.Slice(4, 4));

            // 确保数据完整
            if (data.Length < 8 + dataLength)
            {
                throw new ArgumentException("数据不完整");
            }

            // 获取实际数据部分
            ReadOnlySpan<byte> payload = data.Slice(8, dataLength);

            Console.WriteLine($"有效载荷大小: {payload.Length} 字节");
            Console.WriteLine($"前10个字节: {BitConverter.ToString(payload.Slice(0, Math.Min(10, payload.Length)).ToArray())}");
        }

    }
}

使用注意事项

安全使用Span的建议

不要尝试将Span作为字段存储
不要将Span用于异步方法
避免将Span装箱(boxing)
小心Span的生命周期管理，特别是使用stackalloc时
使用ReadOnlySpan表示不需要修改的数据

Memory的最佳实践

优先考虑ReadOnlyMemory而非Memory(当不需要修改数据时)
在异步操作中使用Memory替代数组
在需要长期保留引用时使用Memory而非Span
需要操作时才调用.Span属性，不要过早转换

兼容性与平台支持

Span和Memory支持情况：

.NET Core 2.1及更高版本
.NET Standard 2.1
.NET 5/6/7/8及以后版本
不完全支持.NET Framework，但可通过System.Memory NuGet包获得部分支持

总结

Span和Memory是C#中处理高性能内存操作的强大工具，它们能够：

减少内存分配和GC压力：通过避免不必要的内存分配和复制
提高性能：特别是在处理大量数据和频繁字符串操作时
保持类型安全：避免了使用unsafe代码和指针操作的风险
简化代码：提供了直观的API来处理连续内存区域

在实际开发中，记住这些简单的选择规则：

对于同步方法中的高性能操作，选择Span
对于异步方法或需要跨方法传递的场景，选择Memory

掌握这两个强大的工具，将帮助你编写更高效、更可靠的C#代码，特别是在处理大数据量、高性能要求的应用场景中。

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