C# 中的 Span：高效处理内存的强大工具
介绍
Span 是 C# 7.2 中引入的一种结构类型，作为 System 命名空间中的 Span 结构的一部分。它旨在表示任意内存的连续区域。与数组或集合不同，Span 不拥有其指向的内存或内存区域;相反，它提供了对现有内存块的轻量级视图。这一特性使得 Span 在需要高效处理内存缓冲区而不产生额外开销和不安全代码的场景中特别强大。
Span 的关键特性
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非拥有性质：Span 是一种非拥有类型，这意味着它不分配或释放托管内存或非托管内存。它在现有内存上操作，使其成为处理内存所有权的其他地方处理或跨多个组件共享的场景的理想选择。 -
连续内存：Span 表示内存的连续区域。这种连续性允许与其他基于内存的结构（如数组、指针和本地互操作场景）无缝交互。 -
性能优势：Span 的非拥有和连续特性有助于其性能优势。由于它不涉及内存分配或复制，使用 Span 可以导致更高效和更快的代码执行。 -
零成本抽象：Span 的设计原则之一是提供零成本抽象。这意味着在代码中使用 Span 不应引入任何运行时开销，使其适用于性能关键场景。
ReadOnlySpan
在某些情况下，使用 ReadOnlySpan 而不是字符串可以避免不必要的字符串分配并提高性能，特别是在处理大型字符串或进行子字符串操作时。ReadOnlySpan 在需要只读访问字符串的一部分而不创建新字符串对象的场景中特别有用。让我们探讨在各种情况下如何使用 ReadOnlySpan：
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从字符串创建 ReadOnlySpan：可以使用 AsSpan 方法轻松地从字符串创建 ReadOnlySpan。 -
处理子字符串：可以使用 Slice 方法代替 Substring，在 ReadOnlySpan 上操作。 -
将子字符串传递给方法：在将子字符串传递给方法时，使用 ReadOnlySpan 而不是将子字符串作为字符串传递。 -
在字符串中搜索：可以在 ReadOnlySpan 上使用 IndexOf 进行字符串内搜索。 -
使用内存映射文件：在处理大型文件时，特别是在内存映射文件的场景中，ReadOnlySpan 可以更高效。 -
高效的字符串操作：在某些场景中，可以使用 ReadOnlySpan 进行高效的字符串操作。 -
将子字符串传递给 API：一些 API 可能出于性能原因接受 ReadOnlySpan。例如，在与外部库或操作字符范围的 API 交互时。
ReadOnlySpan 提供了一种更高效地处理字符串的方法，特别是在需要最小化内存分配和复制的场景中。它是优化性能关键代码的强大工具，特别是在处理大量字符串数据时。
Span 的限制
虽然 C# 中的 Span 是一个功能强大的特性，具有许多优点，但它确实带来了一些限制和考虑因素，特别是在连续和非连续内存缓冲区的上下文中。让我们探讨这些限制。
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连续内存缓冲区：Span 是一种非拥有类型。它不拥有其指向的内存，这意味着您需要确保底层内存/非托管内存在 Span 的生命周期内保持有效。如果内存实例被释放或变为无效，使用 Span 可能导致未定义的行为。 -
不可变字符串：Span 是设计用来高效处理可变内存的，但 C# 中的字符串是不可变的。将字符串转换为 Span 可能会导致意想不到的问题，特别是如果 Span 被用来修改字符串的内容。 -
数组边界检查：虽然 Span 本身提供零成本抽象，但对 Span 的操作并不消除数组边界检查。这意味着当使用 Span 访问元素时，运行时仍然会检查数组边界，与使用不安全指针相比可能会带来轻微的性能开销。 -
垃圾回收影响：如果您在数组上创建一个 Span 并且该数组被垃圾收集器收集，之后使用 Span 可能导致未定义的行为。这是因为底层内存可能被回收，通过 Span 访问它可能导致访问无效内存。 -
无法在某些 API 中使用：一些 API 或库可能不直接接受 Span，尤其是那些未设计为支持 Span 的旧版或第三方库。在这种情况下，您可能需要在使用之间转换 Span 和其他类型，如数组或指针。 -
非连续内存缓冲区：Span 主要设计用于处理连续内存缓冲区/块。它可能不是处理具有内存间隙的非连续内存缓冲区或结构的最佳选择。 -
结构限制：涉及非连续内存的某些数据结构或场景可能与 Span 的连续内存要求不兼容。例如，链表或图结构可能与 Span 的要求不对齐。 -
复杂的指针操作：在处理非连续内存时，尤其是在需要复杂指针算术的场景中，Span 可能无法提供在使用 C++ 等语言的原始指针时可以获得的低级控制和灵活性。在这种情况下，使用带有指针的不安全代码可能更合适。 -
缺乏在某些 API 中的直接支持：就像连续内存一样，一些 API 或库可能不直接支持由 Span 表示的非连续内存。适应这些场景可能需要额外的中间步骤或转换。
Span 和非托管内存
在 C# 中，Span 可以有效地与非托管内存一起使用，以受控和高效的方式执行内存相关操作。非托管内存是指不由 .NET 运行时的垃圾收集器管理的内存，通常涉及使用本地内存分配和释放。以下是如何在 C# 中结合使用 Span 和非托管内存：
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分配非托管内存：可以使用 Marshal 类分配非托管内存，该类是 System.Runtime.InteropServices 命名空间的一部分。Marshal.AllocHGlobal 方法分配非托管内存并返回指向分配块的指针。分配的内存地址或内存地址由 unmanagedMemory 指针持有，并且将具有读写访问权限。可以轻松访问内存的连续区域。 -
复制数据到和从非托管内存：Span 提供了如 Slice、CopyTo 和 ToArray 之类的方法，可用于在托管和非托管内存之间高效复制数据。 -
使用不安全代码：在处理非托管内存时，您还可以使用带有指针的不安全代码。在这种情况下，您可以从 Span 使用 GetPinnableReference 方法获得指针。
请记住，在处理非托管内存时，至关重要的是要妥善管理分配和释放，以避免内存泄漏。始终使用适当的方法释放非托管内存，例如 Marshal.FreeHGlobal。此外，在使用不安全代码时要小心，因为如果处理不当，它可能引入潜在的安全风险。
Span 和异步方法调用
在 C# 中将 Span 与异步方法调用结合使用是一个强大的组合，尤其是在处理大量数据或 I/O 操作时。目标是高效地处理异步操作，而无需不必要的数据复制。让我们探讨如何利用 Span 在异步场景中：
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异步 I/O 操作：在处理异步 I/O 操作时，例如从流中读取或写入数据，您可以使用 Memory 或 Span 高效地处理数据，而无需创建额外的缓冲区。 -
异步文件操作：与 I/O 操作类似，在处理异步文件操作时，您可以使用 Span 高效地处理数据，而无需额外的复制。 -
异步任务处理：在处理产生或消耗数据的异步任务时，您可以使用 Memory 或 Span 避免不必要的复制。
结论
C# 中的 Span 是语言的一个强大补充，提供了以高性能和高效方式处理内存的方法。其非拥有、连续的特性使其特别适合于需要最小化内存分配和复制的场景。通过利用 Span，开发人员可以在各种应用程序中实现更好的性能，从字符串操作到高性能数值处理。随着 C# 的不断发展，Span 仍然是优化代码和构建稳健、高性能应用程序的关键工具。