C# 中的 Span<T> 深入解析

摘要

Span 是 C# 中引入的一个结构类型，用于提供对连续内存区域的类型安全访问。这个特性最初在 .NET Core 2.1 中引入，旨在优化性能，尤其是在处理数组、字符串和其他类型的缓冲区时。Span 可以看作是一个窗口，它允许开发者在不复制数据的情况下操作内存。

正文

Span 的特点

类型安全：Span 是泛型的，确保只能访问指定类型的数据。
内存效率：它允许在不创建新数组或字符串副本的情况下操作数据，减少了内存分配和垃圾回收的压力。
栈分配：Span 是一个栈上的结构，它不会导致堆分配。
切片操作：可以轻松地从现有的 Span 创建新的 Span，而不会发生数据复制。
安全性：Span 不能跨越异步方法的边界，因为它可能指向非托管的内存，这样可以避免潜在的数据竞争和同步问题。

应用场景

解析数据：在解析文件或网络数据流时，可以使用 Span 来避免不必要的内存复制。
性能关键型应用：对于需要高性能内存操作的应用程序，如游戏、高频交易系统等。
内存管理：在需要精细控制内存分配和回收的场景中，Span 提供了更大的灵活性。
缓冲区操作：对于需要在缓冲区上执行复杂操作的场景，Span 提供了简单的API。

示例 1：基本用法

C#
static void Main(string[] args)
{
    ProcessBytes(System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes("0123456789"));
}
static void ProcessBytes(byte[] data)
{
    // 假设我们只想处理前10个字节
    Span<byte> dataSpan = new Span<byte>(data, 0, 10);

    for (int i = 0; i < dataSpan.Length; i++)
    {
        // 对每个字节执行操作
        dataSpan[i] = (byte)(dataSpan[i] + 1);
    }

    Console.WriteLine(System.Text.Encoding.UTF8.GetString(dataSpan));
}

示例 2：字符串切片

C#
static void Main(string[] args)
{
    SliceString("0123456789abcdefg");
}
static void SliceString(string str)
{
    ReadOnlySpan<char> span = str.AsSpan();
    ReadOnlySpan<char> slice = span.Slice(start: 5, length: 10);

    Console.WriteLine(slice.ToString());
}

示例 3：内存复制

C#
static void Main(string[] args)
{
    byte[] data = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
    byte[] data1 = new byte[10];
    CopyMemory(data, data1);
}
static void CopyMemory(byte[] source, byte[] destination)
{
    Span<byte> sourceSpan = source.AsSpan();
    Span<byte> destinationSpan = destination.AsSpan();

    // 假设 destination 数组足够大
    sourceSpan.CopyTo(destinationSpan);
}

示例 4：与 Memory 结合使用

C#
static void Main(string[] args)
{
    byte[] data = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
    ProcessLargeData(data);
    foreach (var item in data)
    {
        Console.WriteLine(item.ToString());
    }
}
static void ProcessLargeData(Memory<byte> memory)
{
    // 使用 Memory<T> 的 .Span 属性来获取 Span<T>
    Span<byte> span = memory.Span;

    // 现在可以安全地在同步方法中操作内存
    for (int i = 0; i < span.Length; i++)
    {
        // 对内存执行操作
        span[i] = (byte)(span[i] + 1);
    }
}

Span 的引入显著提高了 C# 程序处理内存数据的能力，尤其对于需要高性能且内存敏感的应用程序而言，它提供了前所未有的控制和优化能力。通过上述示例，我们可以看到 Span 在实际编程中是如何为我们提供更优雅和高效的数据操作方式。

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