本文采用半譯方式。

在本文中，將會(huì)介紹 C# 7.2 中引入的新類型：Span 和 Memory，文章深入研究?Span<T>?和?Memory<T>?，并演示如何在 C# 中使用它們。

本文所有代碼用例在 .NET 6.0 下運(yùn)行。

.NET 中支持的內(nèi)存類型

.NET 中，開(kāi)發(fā)者能夠使用的三種內(nèi)存類型，分別是：

• Stack memory 堆棧內(nèi)存:?駐留在堆棧中，并使用stackalloc?關(guān)鍵詞分配；
• Managed memory 托管內(nèi)存:?駐留在堆中并由 GC 管理；
• Unmanaged memory 非托管內(nèi)存:?駐留在非托管堆中，并通過(guò)調(diào)用?Marshal.AllocHGlobal?or 或者Marshal.AllocCoTaskMem?方法 分配；

.NET Core 2.1 中新增的類型

.NET Core 2.1 中新引入的類型包括:

• System.Span:?這以類型安全和內(nèi)存安全的方式表示任意內(nèi)存的連續(xù)部分；

• System.ReadOnlySpan:?這表示任意連續(xù)內(nèi)存區(qū)域的類型安全和內(nèi)存安全只讀表示形式；

• **System.Memory: ** 這表示一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域；

• System.ReadOnlyMemory:?類似ReadOnlySpan, 此類型表示內(nèi)存的連續(xù)部分ReadOnlySpan, 它不是 ByRef 類型；

  譯者注：ByRef?類型指的是?ref readonly struct。

訪問(wèn)連續(xù)內(nèi)存: Span 和 Memory

開(kāi)發(fā)者可能經(jīng)常需要在應(yīng)用程序中處理大量數(shù)據(jù)，例如字符串處理在任何應(yīng)用程序中都是至關(guān)重要的，因此開(kāi)發(fā)者必須遵循推薦的實(shí)踐以避免不必要的分配。開(kāi)發(fā)者可以使用不安全的代碼塊和指針直接操作內(nèi)存，但是這種方法有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，指針操作容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，如溢出、空指針訪問(wèn)、緩沖區(qū)溢出和懸空指針。如果 bug 只影響堆?；蜢o態(tài)內(nèi)存區(qū)域，那么它將是無(wú)害的，但是如果它影響關(guān)鍵的系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)域，則可能導(dǎo)致應(yīng)用程序崩潰。

因此，出現(xiàn)了?Span<T>?和?Memory<T>?，能夠以安全的方式使用指針訪問(wèn)內(nèi)存。

Span<T>?和?Memory<T>?是 .NET 新引入的類型(都是?struct)，它們提供了一種類型安全的方法來(lái)訪問(wèn)任意內(nèi)存的連續(xù)區(qū)域。Span<T>?和?Memory<T>?都是 System 命名空間的一部分，表示連續(xù)的內(nèi)存塊，沒(méi)有任何復(fù)制語(yǔ)義。

C# 新版本添加了?Span<T>?、?Memory<T>?、?ReadOnlySpan?和?ReadOnlyMemory?類型 ，它們可以幫助開(kāi)發(fā)者在安全和性能方面直接使用內(nèi)存。

這些新類型在?System.Memory?命名空間中，適用于需要處理大量數(shù)據(jù)或希望避免不必要的內(nèi)存分配(例如在使用緩沖區(qū)時(shí))的高性能場(chǎng)景。與在 GC 堆上分配內(nèi)存的數(shù)組類型不同，這些新類型提供了對(duì)任意托管或本機(jī)內(nèi)存的連續(xù)區(qū)域的抽象，而不需要在 GC 堆上分配內(nèi)存。

譯者注：因?yàn)樗鼈兌际?struct，會(huì)被分配到棧中。

Span<T>?和?Memory<T>?結(jié)構(gòu)體為數(shù)組、字符串或任何連續(xù)的托管或非托管內(nèi)存塊提供低級(jí)接口，它們的主要功能是促進(jìn)微優(yōu)化和編寫(xiě)低分配代碼，以減少托管內(nèi)存分配，從而減少垃圾收集器的負(fù)擔(dān)。它們還允許切片或處理數(shù)組、字符串或內(nèi)存塊的某個(gè)部分，而無(wú)需復(fù)制原始內(nèi)存塊。Span<T>?和?Memory<T>?在高性能領(lǐng)域非常有用，例如 ASP.NET Core 6 request-processing 管道。

Span 介紹

Span<T>?(早期稱為 Slice) 出現(xiàn)于 C# 7.2/NET Core 2.1，創(chuàng)建它的開(kāi)銷幾乎為零，它提供了一種使用連續(xù)內(nèi)存塊的類型安全方法，例如：

• Arrays and subarrays 數(shù)組和子數(shù)組
• Strings and substrings 字符串和子字符串
• Unmanaged memory buffers 非托管內(nèi)存緩沖區(qū)

Span 類型表示駐留在托管堆、堆棧甚至非托管內(nèi)存中的連續(xù)內(nèi)存塊，如果創(chuàng)建一個(gè)基元類型的數(shù)組(使用?stackalloc?創(chuàng)建)，它將在堆棧上分配，并且不需要垃圾回收來(lái)管理其生存期。Span<T>?能夠指向分配給堆棧或堆上的內(nèi)存塊。但是，因?yàn)?Span<T>?被定義為 ref 結(jié)構(gòu)，所以它應(yīng)該只駐留在堆棧上。

以下是一目了然的?Span<T>?的特征:

• Value type 值類型
• Low or zero overhead 低或零開(kāi)銷
• High performance 高性能
• Provides memory and type safety 提供內(nèi)存和類型安全

開(kāi)發(fā)者可以將 Span 與下列任一項(xiàng)一起使用

• Arrays
• Strings
• Native buffers 本地緩沖區(qū)

可以轉(zhuǎn)換為?Span<T>?的類型列表如下:

• Arrays
• Pointers 指針
• IntPtr 指針
• stackalloc

開(kāi)發(fā)者可以將以下所有內(nèi)容轉(zhuǎn)換為?ReadOnlySpan<T>?:

• Arrays
• Pointers 指針
• IntPtr 指針
• stackalloc
• string

Span<T>?是一個(gè)僅堆棧類型， 準(zhǔn)確地說(shuō)它是一個(gè) ByRef 類型。因此，既不能將 span 裝箱，也不能顯示為僅限堆棧類型的字段，也不能在泛型參數(shù)中使用它們。但是，可以使用 span 來(lái)表示返回值或方法參數(shù)。請(qǐng)參考下面給出的代碼片段，它說(shuō)明了 Span 結(jié)構(gòu)的完整源代碼:

public readonly ref struct Span<T> 
{
    internal readonly
    ByReference<T> _pointer;
    private readonly int _length;
    //Other members
}

因?yàn)?Span 定義時(shí)，是?public readonly ref struct Span<T>，表示只能在堆棧中分配。

開(kāi)發(fā)者可以在這里查看?struct Span<T>?的完整源代碼:?https://github.com/dotnet/corefx/blob/master/src/common/src/corelib/system/Span.cs。

Span<T>?源代碼顯示它基本上包含兩個(gè)只讀字段: 一個(gè)本機(jī)指針和一個(gè)長(zhǎng)度屬性，表示 Span 包含的元素?cái)?shù)。

Span 的使用方式與數(shù)組相同，但是與數(shù)組不同，它可以引用堆棧內(nèi)存，即堆棧上分配的內(nèi)存、托管內(nèi)存和本機(jī)內(nèi)存。這為開(kāi)發(fā)者提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)利用以前只有在處理非托管代碼時(shí)才能獲得的性能改進(jìn)。

若要?jiǎng)?chuàng)建空的 Span，可以使用 Span.Empty 屬性:

 Span<char> span = Span<char>.Empty;

下面的代碼片段演示如何在托管內(nèi)存中創(chuàng)建 Byte 數(shù)組，然后從中創(chuàng)建 span 實(shí)例。

var array = new byte[100];
var span = new Span<byte>(array);

C# 中的 Span

下面是如何在堆棧中分配一塊內(nèi)存并使用 Span 指向它：

Span<byte> span = stackalloc byte[100];

下面的代碼片段顯示了如何使用字節(jié)數(shù)組創(chuàng)建 Span、如何將整數(shù)存儲(chǔ)在字節(jié)數(shù)組中以及如何計(jì)算存儲(chǔ)的所有整數(shù)的總和。

var array = new byte[100];
var span = new Span<byte>(array);

byte data = 0;
for (int index = 0; index < span.Length; index++)
    span[index] = data++;

int sum = 0;
foreach (int value in array)
    sum += value;

下面的代碼片段從本機(jī)內(nèi)存（非托管內(nèi)存）創(chuàng)建一個(gè) Span：

var nativeMemory = Marshal.AllocHGlobal(100);
Span<byte> span;
unsafe
{
    span = new Span<byte>(nativeMemory.ToPointer(), 100);
}

現(xiàn)在可以使用下面的代碼片段在 Span 指向的內(nèi)存中存儲(chǔ)整數(shù)，并顯示存儲(chǔ)的所有整數(shù)的總和:

byte data = 0;
for (int index = 0; index < span.Length; index++)
    span[index] = data++;

int sum = 0;
foreach (int value in span) 
    sum += value;

Console.WriteLine ($"The sum of the numbers in the array is {sum}");
Marshal.FreeHGlobal(nativeMemory);

還可以使用 stackalloc 關(guān)鍵字在堆棧內(nèi)存中分配 Span，如下所示：

byte data = 0;
Span<byte> span = stackalloc byte[100];

for (int index = 0; index < span.Length; index++)
    span[index] = data++;

int sum = 0;
foreach (int value in span) 
    sum += value;

Console.WriteLine ($"The sum of the numbers in the array is {sum}");

需要開(kāi)啟不安全代碼設(shè)置。

Span 和 Arrays

切片允許將數(shù)據(jù)視為邏輯塊，然后可以以最小的資源開(kāi)銷處理這些邏輯塊。Span<T>?可以包裝整個(gè)數(shù)組，因?yàn)樗С智衅?，所以可以讓它指向?shù)組中的任何連續(xù)區(qū)域。下面的代碼片段顯示了如何使用?Span<T>?指向數(shù)組中由三個(gè)元素組成的片段。

int[] array = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 } ;
Span<int> slice = new Span<int>(array, 2, 3);

作為?Span<T>?struct 的一部分，Slice 方法有兩個(gè)重載，允許基于索引創(chuàng)建，這允許將Span<T>?數(shù)據(jù)作為一系列邏輯塊來(lái)處理，這些邏輯塊可以單獨(dú)處理，也可以按照數(shù)據(jù)處理流水線的各個(gè)部分的要求來(lái)處理。

開(kāi)發(fā)者可以使用?Span<T>?來(lái)包裝整個(gè)數(shù)組。因?yàn)樗С智衅?，所以它不僅可以指向數(shù)組的第一個(gè)元素，還可以指向數(shù)組中任何連續(xù)的元素范圍。

foreach (int i in slice)
    Console.WriteLine($"{i} ");

執(zhí)行前面的代碼片段時(shí)，分片數(shù)組中的整數(shù)將顯示在控制臺(tái)上，如圖2所示。

Span 和 ReadOnlySpan

ReadOnlySpan<T>?實(shí)例通常用于引用數(shù)組項(xiàng)或數(shù)組的塊。與數(shù)組不同，ReadOnlySpan<T>?實(shí)例可以引用本機(jī)內(nèi)存、托管內(nèi)存或堆棧內(nèi)存。Span<T>?和?ReadOnlySpan<T>?都提供了連續(xù)內(nèi)存區(qū)域的類型安全表示，?Span<T>?提供對(duì)內(nèi)存區(qū)域的讀寫(xiě)訪問(wèn)，?ReadOnlySpan<T>?提供對(duì)內(nèi)存段的只讀訪問(wèn)。

下面的代碼片段說(shuō)明了如何使用 ReadOnlySpan 在 C# 中切割字符串的一部分：

ReadOnlySpan<char> readOnlySpan = "This is a sample data for testing purposes.";
int index = readOnlySpan.IndexOf(' ');
var data = ((index < 0) ?
    readOnlySpan : readOnlySpan.Slice(0, index)).ToArray();

Memory 入門(mén)

Memory<T>?是一個(gè)引用類型，它表示內(nèi)存的一個(gè)連續(xù)區(qū)域，具有一個(gè)長(zhǎng)度，但不一定從索引0開(kāi)始，可以是另一個(gè) Memory 中的許多區(qū)域之一。由 Memory 表示的內(nèi)存甚至可能不是開(kāi)發(fā)者自己的進(jìn)程，因?yàn)樗赡芤呀?jīng)在非托管代碼中分配。內(nèi)存對(duì)于表示非連續(xù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)非常有用，因?yàn)樗试S開(kāi)發(fā)者像對(duì)待單個(gè)連續(xù)緩沖區(qū)一樣對(duì)待它們，而不需要進(jìn)行復(fù)制。

以下是 Memory?的定義：

public struct Memory<T> 
{
    void* _ptr;
    T[]   _array;
    int   _offset;
    int   _length;

    public Span<T> Span => _ptr == null ? new Span<T>(_array, _offset, _length) : new Span<T>(_ptr, _length);
}

除了包含?Span<T>?功能外，Memory<T>?還提供了一個(gè)安全的、可切片的視圖，可以進(jìn)入任何連續(xù)的緩沖區(qū)，無(wú)論是數(shù)組還是字符串。與?Span<T>?不同，它沒(méi)有僅限于堆棧的約束，因?yàn)樗皇穷愃朴?ref 的類型。因此，開(kāi)發(fā)者可以將它放在堆上，在集合中或異步等待中使用它，將它保存為字段或裝箱，就像對(duì)待任何其他 C# 結(jié)構(gòu)一樣。

當(dāng)需要修改或處理?Memory<T>?引用的緩沖區(qū)時(shí)，Span<T>?屬性允許開(kāi)發(fā)者獲得高效的索引功能。相反，Memory<T>?是一種比 Span?更通用和高級(jí)的交換類型，它具有一個(gè)名為?ReadOnlyMemory<T>?的不可變的只讀對(duì)應(yīng)物。

盡管?Span<T>?和?Memory<T>?都代表一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存塊，但與?Span<T>?不同，Memory<T>?不是一個(gè) ref 結(jié)構(gòu)。因此，與?Span<T>?相反，開(kāi)發(fā)者可以在托管堆上的任何位置使用?Memory<T>?。因此，在?Memory<T>?中沒(méi)有與?Span<T>?中相同的限制，開(kāi)發(fā)者可以使用?Memory<T>?作為類字段，并且可以跨 await 和 yield 邊界（下面會(huì)說(shuō)到）。

ReadOnlyMemory

與?ReadOnlySpan<T>?類似，ReadOnlyMemory<T>?表示對(duì)連續(xù)內(nèi)存區(qū)域的只讀訪問(wèn)，但與?ReadOnlySpan<T>?不同，它不是 ByRef 類型。

現(xiàn)在請(qǐng)參考下面的字符串，其中包含由空格字符分隔的國(guó)家名稱。

string countries = "India Belgium Australia USA UK Netherlands";
var countries = ExtractStrings("India Belgium Australia USA UK Netherlands".AsMemory());

通過(guò)提取字符串的方法提取每個(gè)國(guó)家的名稱，如下所示：

public static IEnumerable<ReadOnlyMemory <char>> ExtractStrings(ReadOnlyMemory<char> c)
{
    int index = 0, length = c.Length;
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        if (char.IsWhiteSpace(c.Span[i]) || i == length)
        {
            yield return c[index..i];
            index = i + 1;
        }
    }
}

開(kāi)發(fā)者可以調(diào)用上述方法，并使用以下代碼片段在控制臺(tái)窗口中顯示國(guó)家名稱：

var data = ExtractStrings(countries.AsMemory());
foreach(var str in data)
    Console.WriteLine(str);

Span 和 Memory 的優(yōu)勢(shì)

使用 Span 和 Memory 類型的主要優(yōu)點(diǎn)是提高了性能。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)使用 stackalloc 關(guān)鍵字來(lái)分配堆棧上的內(nèi)存，該關(guān)鍵字分配一個(gè)未初始化的塊，該塊是?T[size]類型的實(shí)例。如果開(kāi)發(fā)者的數(shù)據(jù)已經(jīng)在堆棧上，則不需要這樣做，但是對(duì)于大型對(duì)象，這樣做很有用，因?yàn)橐赃@種方式分配的數(shù)組只有在其作用域持續(xù)存在時(shí)才存在。如果使用堆分配的數(shù)組，可以通過(guò)?Slice()這樣的方法傳遞它們，并在不復(fù)制任何數(shù)據(jù)的情況下創(chuàng)建視圖。

這里還有一些好處：

• 它們減少了垃圾收集器的分配數(shù)量。它們還減少了數(shù)據(jù)的副本數(shù)量，并提供了一種更有效的方法來(lái)同時(shí)處理多個(gè)緩沖區(qū)；
• 它們?cè)试S開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)高性能代碼。例如，如果開(kāi)發(fā)者有一大塊內(nèi)存需要分成小塊，那么使用 Span 作為原始內(nèi)存的視圖。這允許開(kāi)發(fā)者的應(yīng)用程序直接從原始緩沖區(qū)訪問(wèn)字節(jié)，而無(wú)需復(fù)制；
• 它們?cè)试S開(kāi)發(fā)者直接訪問(wèn)內(nèi)存而無(wú)需復(fù)制內(nèi)存。這在使用本機(jī)庫(kù)或與其他語(yǔ)言進(jìn)行互操作時(shí)特別有用；
• 它們?cè)试S開(kāi)發(fā)者在性能至關(guān)重要的緊密循環(huán)(如加密或網(wǎng)絡(luò)包檢查)中消除邊界檢查；
• 它們?cè)试S開(kāi)發(fā)者消除與通用集合(如 List)相關(guān)的裝箱和取消裝箱成本；
• 通過(guò)使用單一數(shù)據(jù)類型(Span)而不是兩種不同類型(Array 和 ArraySegment) ，它們可以編寫(xiě)更容易理解的代碼；

連續(xù)和非連續(xù)內(nèi)存緩沖區(qū)

連續(xù)內(nèi)存緩沖區(qū)是將數(shù)據(jù)保存在順序相鄰位置的內(nèi)存塊，換句話說(shuō)，所有的字節(jié)在內(nèi)存中都是相鄰的。數(shù)組表示連續(xù)的內(nèi)存緩沖區(qū)。

例如:

int[] values = new int[5]; 

上面示例中的五個(gè)整數(shù)將從第一個(gè)元素(值[0])開(kāi)始，按順序放置在內(nèi)存中的五個(gè)位置。

與連續(xù)緩沖區(qū)不同，開(kāi)發(fā)者可以使用非連續(xù)緩沖區(qū)來(lái)處理多個(gè)數(shù)據(jù)塊并不相鄰的情況，或者在使用非托管代碼時(shí)使用非連續(xù)緩沖區(qū)，Span 和 Memory 類型是專門(mén)為非連續(xù)緩沖區(qū)設(shè)計(jì)的，并提供了使用它們的方便方法。

非連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域不能保證元素以任何特定的順序存儲(chǔ)，也不能保證元素在內(nèi)存中緊密地存儲(chǔ)在一起。非連續(xù)緩沖區(qū)(如 ReadOnlySequence (與段一起使用時(shí)))駐留在內(nèi)存的單獨(dú)區(qū)域中，這些區(qū)域可能分散在堆中，不能被單個(gè)指針訪問(wèn)。

例如，IEnumable 是非連續(xù)的，因?yàn)樵陂_(kāi)發(fā)者逐個(gè)枚舉每個(gè)項(xiàng)之前，無(wú)法知道下一個(gè)項(xiàng)將在哪里。為了表示段之間的這些間隔，必須使用附加數(shù)據(jù)來(lái)跟蹤每個(gè)段的開(kāi)始和結(jié)束位置。

不連續(xù)的緩沖區(qū): ReadOnly 序列

讓作者們假設(shè)開(kāi)發(fā)者正在使用一個(gè)不連續(xù)的緩沖區(qū)。例如，數(shù)據(jù)可能來(lái)自網(wǎng)絡(luò)流、數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用或文件流。這些場(chǎng)景中的每一個(gè)都可以有多個(gè)大小不同的緩沖區(qū)。一個(gè) ReadOnlySequence 實(shí)例可以包含一個(gè)或多個(gè)內(nèi)存段，每個(gè)段可以有自己的 Memory 實(shí)例。因此，單個(gè) ReadOnlySequence 實(shí)例可以更好地管理可用內(nèi)存，并提供比許多串聯(lián)內(nèi)存實(shí)例更好的性能。

開(kāi)發(fā)者可以使用 SequenceReader 類上的工廠方法?Create()以及?AsReadOnlySequence()等其他方法創(chuàng)建 ReadOnlySequence 實(shí)例。Create()?方法有幾個(gè)重載，允許開(kāi)發(fā)者傳入?byte []?或?ArraySegment、字節(jié)數(shù)組序列(IEnumable)或?IReadOnlyCollection?/IReadOnlyList/IList?/?ICollection?字節(jié)數(shù)組集合(byte [])和?ArraySegment。

開(kāi)發(fā)者現(xiàn)在知道?Span<T>?和?Memory<T>?提供了對(duì)連續(xù)內(nèi)存緩沖區(qū)(如數(shù)組)的支持。系統(tǒng)。緩沖區(qū)命名空間包含一個(gè)名為?ReadOnlySequense<T>?的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持處理不連續(xù)的內(nèi)存緩沖區(qū)。下面的代碼片段說(shuō)明了如何在 C# 中使用?ReadOnlySequence<T>?:

int[] array = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
var readOnlySequence = new ReadOnlySequence<int>(array);
var slicedReadOnlySequence = readOnlySequence.Slice(1, 5);

開(kāi)發(fā)者也可以使用?ReadOnlyMemory<T>?，如下所示:

int[] array = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
ReadOnlyMemory<int> memory = array;
var readOnlySequence = new ReadOnlySequence<int>(memory);
var slicedReadOnlySequence = readOnlySequence.Slice(1,  5);

實(shí)際場(chǎng)景

現(xiàn)在讓作者們來(lái)談?wù)勔粋€(gè)現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景，以及?Span<T>?和?Memory<T>?是如何起作用的。請(qǐng)考慮以下字符串?dāng)?shù)組，其中包含從日志文件檢索到的日志數(shù)據(jù):

string[] logs = new string[]
{
    "a1K3vlCTZE6GAtNYNAi5Vg::05/12/2022 09:10:00 AM::http://localhost:2923/api/customers/getallcustomers",
    "mpO58LssO0uf8Ced1WtAvA::05/12/2022 09:15:00 AM::http://localhost:2923/api/products/getallproducts",
    "2KW1SfJOMkShcdeO54t1TA::05/12/2022 10:25:00 AM::http://localhost:2923/api/orders/getallorders",
    "x5LmCTwMH0isd1wiA8gxIw::05/12/2022 11:05:00 AM::http://localhost:2923/api/orders/getallorders",
    "7IftPSBfCESNh4LD9yI6aw::05/12/2022 11:40:00 AM::http://localhost:2923/api/products/getallproducts"
};

請(qǐng)記住，開(kāi)發(fā)者可以擁有數(shù)百萬(wàn)條日志記錄，因此性能至關(guān)重要。這個(gè)示例只是從大量日志數(shù)據(jù)中提取的日志數(shù)據(jù)。每個(gè)行的數(shù)據(jù)由 HTTP 請(qǐng)求 ID、 HTTP 請(qǐng)求的 DateTime 和端點(diǎn) URL 組成?，F(xiàn)在假設(shè)開(kāi)發(fā)者需要從這些數(shù)據(jù)中提取請(qǐng)求 ID 和端點(diǎn) URL。

開(kāi)發(fā)者需要一個(gè)高性能的解決方案。如果使用 String 類的 Substring 方法，就會(huì)創(chuàng)建許多字符串對(duì)象，這也會(huì)降低應(yīng)用程序的性能。最好的解決方案是在這里使用?Span<T>?來(lái)避免分配。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是使用?Span<T>?和 Slice 方法，如下一節(jié)所示。

Benchmarking 基準(zhǔn)測(cè)試

是時(shí)候測(cè)量一下了。現(xiàn)在讓作者們對(duì)?Span<T>?struct 與 String 類的 Substring 方法的性能進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

安裝 NuGet 包

目前為止還不錯(cuò)。下一步是安裝必要的 NuGet 包。要將所需的包安裝到項(xiàng)目中，右鍵單擊解決方案并選擇?Manage NuGet Packages for Solution...??，F(xiàn)在在搜索框中搜索名為 BenchmarkDotNet 的軟件包并安裝它?；蛘?，開(kāi)發(fā)者也可以在NuGet Package Manager?命令提示符下鍵入以下命令:

PM> Install-Package BenchmarkDotNet

Benchmarking Span

現(xiàn)在讓作者們研究一下如何對(duì) Substring 和 Slice 方法的性能進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。使用清單1中的代碼創(chuàng)建一個(gè)名為 BenchmarkPerformance 的新類。開(kāi)發(fā)者應(yīng)該注意在 GlobalSetup 方法中如何設(shè)置數(shù)據(jù)以及 GlobalSetup 屬性的用法。

[MemoryDiagnoser]
[Orderer(BenchmarkDotNet.Order.SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)]
[RankColumn]

public class BenchmarkPerformance
{
    [Params(100, 200)]
    public int N;

    string countries = null;
    int index, numberOfCharactersToExtract;

    [GlobalSetup]
    public void GlobalSetup()
    {
        countries = "India, USA, UK, Australia, Netherlands, Belgium";
        index = countries.LastIndexOf(",",StringComparison.Ordinal);
        numberOfCharactersToExtract = countries.Length - index;
    }
}

現(xiàn)在，編寫(xiě)名為 Substring 和 Span 的兩個(gè)方法，如清單2所示。前者使用 String 類的 Substring 方法檢索最后一個(gè)國(guó)家名稱，而后者使用 Slice 方法提取最后一個(gè)國(guó)家名稱。

[Benchmark]
public void Substring()
{
    for(int i = 0; i < N; i++)
    {
        var data = countries.Substring(index + 1, numberOfCharactersToExtract - 1);
    }
}

[Benchmark(Baseline = true)]
public void Span()
{
    for(int i=0; i < N; i++)
    {
       var data = countries.AsSpan().Slice(index + 1, numberOfCharactersToExtract - 1);
    }
}

執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試

class Program
{
    static void Main()
    {
        BenchmarkRunner.Run<BenchmarkPerformance>();
    }
}

若要執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試，請(qǐng)將項(xiàng)目的編譯模式設(shè)置為“發(fā)布”，并在項(xiàng)目文件所在的同一文件夾中運(yùn)行以下命令:

dotnet run -c Release

下圖顯示了基準(zhǔn)測(cè)試的執(zhí)行結(jié)果。

解讀基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

如上一小節(jié)的圖所示，在使用 Slice 方法提取字符串時(shí)，絕對(duì)沒(méi)有分配。對(duì)于每個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試方法，都會(huì)生成一行結(jié)果數(shù)據(jù)。因?yàn)橛袃蓚€(gè)基準(zhǔn)測(cè)試方法，所以有兩行基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)?；鶞?zhǔn)測(cè)試結(jié)果顯示了平均執(zhí)行時(shí)間、 Gen0集合和分配的內(nèi)存。從基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果中可以明顯看出，Span 比 Substring 方法快7.5倍以上（譯者圖中的結(jié)果是9倍）。

Span 限制

Span<T>?是僅堆棧的，這意味著它不適合在堆上存儲(chǔ)對(duì)緩沖區(qū)的引用，例如在執(zhí)行異步調(diào)用的例程中。它不在托管堆中分配，而是在堆棧中分配，并且它不支持裝箱以防止升級(jí)到托管堆。不能將?Span<T>?用作泛型類型，但可以將其用作 ref 結(jié)構(gòu)中的字段類型。不能將?Span<T>?賦給動(dòng)態(tài)類型、對(duì)象類型或任何其他接口類型的變量。不能在引用類型中使用?Span<T>?作為字段，也不能跨等待和產(chǎn)生邊界使用它。此外，由于?Span<T>?不繼承 IEnumable，因此不能對(duì)其使用 LINQ。

需要注意的是，類中不能有?Span<T>?字段，不能創(chuàng)建?Span<T>?數(shù)組，也不能包含?Span<T>?實(shí)例。注意，?Span<T>?和Memory<T>?都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)?IEnumable<T>?，因此，開(kāi)發(fā)者將無(wú)法使用 LINQ 與這兩者操作。但是，開(kāi)發(fā)者可以利用 SpanLinq 、 NetFabric、Hyperlinq 庫(kù)來(lái)繞過(guò)這個(gè)限制。

結(jié)論

在本文中，作者研究了?Span<T>?和?Memory<T>?的特性和優(yōu)點(diǎn)，以及如何在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)它們。作者還討論了一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景，其中可以使用 Span?來(lái)提高字符串處理性能。請(qǐng)注意，Span<T>?比?Memory<T>?更多才多藝，性能也更好，但它并不能完全取代它。