Span<T> 与 List<T> 的比较

Span 和 List 是 .NET 中的两种数据结构，它们的用途不同，并且具有不同的特性，尤其是在性能和内存管理方面。下面，我将根据用例解释它们之间的差异，并深入了解哪种方法对性能更好。

注意：在 Java 中，Span 和 List 可以等效地视为 Arrays 和 ArrayList；如果您是 Java 爱好者，那么您应该将 Span 视为 Array，将 List 视为 ArrayList。

一、内存管理

1. Span

Span 是一个仅限堆栈的结构，它提供对连续内存块（例如数组、堆栈中的内存或现有数组的一部分）的视图。它不拥有内存，而是对现有内存进行操作，这意味着它不会在堆上分配内存。Span 轻量且高效，因为它不涉及分配或调整大小，并且它适用于需要处理数组切片或内存缓冲区而无需进行复制的场景。

2. List

List 是一个堆分配的集合，可以在后台动态管理可调整大小的数组。它通过在添加新项目时根据需要增加内部数组来管理其内存，这会产生分配和复制成本。List 在添加、删除和访问元素方面具有很大的灵活性，但由于堆分配和调整大小，这会带来开销。

二、可变性和调整大小

1. Span

Span 无法调整大小。它表示现有内存的固定大小视图。您无法从中添加或删除元素，只能修改给定范围内的元素。如果需要动态地添加或删除元素，Span 并不合适，但它在大小固定且预先知道的场景中表现出色。

2. List

List 可动态调整大小，这使其适用于元素数量未知或频繁变化的场景。然而，调整大小会带来性能成本，因为它需要分配一个新数组，并且在超出列表容量时复制元素。

三、表现

1. Span

对于固定大小的数据操作更快：由于 Span 避免了堆分配并直接在现有内存上运行，因此对于切片数组或使用缓冲区等操作，它比 List 更快。最小开销：由于 Span 设计用于处理堆栈分配的数据或固定长度的缓冲区，因此几乎没有内存开销，使其对于内存受限的操作更高效。非常适合访问和操作内存数据的性能至关重要的场景（例如游戏、解析器或实时系统等高性能应用程序）。

2. List

由于动态调整大小而导致的开销更大：每次 List 超出其当前容量时，它都必须分配更大的数组并复制元素，这会影响性能，尤其是在频繁添加的场景中。尽管存在这些成本，List 对于需要动态大小更改的一般用例仍然具有良好的性能，轻微的性能开销是可以接受的。访问 List 中的元素（基于索引器的访问）非常快（O（1）时间复杂度），但需要调整大小的修改（如添加、删除）可能会产生额外的成本。

四、使用案例

1. Span

• 高性能场景： Span 专为性能关键型代码而设计，例如使用缓冲区、内存操作或应避免动态分配和复制的数组切片。
• 内存高效的处理：如果您正在处理大型数据集（例如，图像处理、网络缓冲区），而您只需要处理数据而不是永久存储数据，那么 Span 是一个不错的选择。
• 固定大小的操作：如果您拥有的数据大小不会改变（例如，您将数据读入数组并且只想对其中的一部分进行操作），那么 Span 是完美的选择。

2. List

• 动态集合处理：当您需要管理大小随时间变化的集合时，List 非常有用。对于频繁添加或删除元素的情况，它是理想的选择。
• 通用集合： List 是一种高级数据结构，提供许多开箱即用的功能，例如排序、搜索和集合范围的操作（如 ForEach）。
• 更高级别的用例：如果性能不是绝对的首要任务，并且您需要一个可以灵活增长和缩小的集合，那么 List 是更好的选择。

五、内存安全和堆栈限制

1. Span

Span 在堆栈内存上运行，因此它受线程堆栈大小的限制。堆栈大小通常比堆大小小得多，因此您无法在 Span 中存储大量数据。然而，Span 也可以引用堆分配的数组而不复制它们。但对于堆栈分配的 span（如 stackalloc），较大的分配可能会导致堆栈溢出异常。

2. List

由于 List 是堆分配的，因此它不受堆栈大小的限制。您可以在 List 中存储大量数据，尽管需要以动态内存管理为代价。

六、安全和寿命限制

1. Span

• 寿命限制： Span 的寿命很短，不能存储在堆上，这限制了它在本地范围之外的使用。
• 堆栈安全：如果方法引用堆栈分配的内存，则无法返回 Span，因为方法返回后该内存将不再有效。

2. List

List 中不存在这样的生命周期限制，因为它存储在堆上。这使得在方法之间传递和存储类内字段更加容易。

七、Span 与 List 的比较

八、何时选择 Span 或 List？

选择 Span

• 如果您正在使用内存切片或数组，并且需要以最小的内存开销实现最高的性能。
• 如果您知道数据的大小并且不需要集合动态地增大或缩小。
• 适用于高性能应用程序（例如解析器、网络缓冲区、游戏引擎）。

选择 List

• 如果您需要一个动态的、可调整大小的集合，其中元素会被频繁添加和删除。
• 如果您需要搜索、排序和枚举等内置操作的便利。
• 这适用于性能很重要但不是至关重要的通用应用程序。

九、结论

对于涉及固定大小内存操作的性能关键型操作，Span 具有显著优势，因为它避免了堆分配和调整大小的开销。然而，如果您需要动态集合的灵活性，List 更合适，即使它有额外的开销。