在C#中怎么使用Span<T>和Memory<T>編寫高性能代碼

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.NET 中支持的內存類型

.NET 中，開發者能夠使用的三種內存類型，分別是：

• Stack memory 堆棧內存: 駐留在堆棧中，并使用stackalloc 關鍵詞分配；

• Managed memory 托管內存: 駐留在堆中并由 GC 管理；

• Unmanaged memory 非托管內存: 駐留在非托管堆中，并通過調用 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: 這以類型安全和內存安全的方式表示任意內存的連續部分；

• System.ReadOnlySpan: 這表示任意連續內存區域的類型安全和內存安全只讀表示形式；

• **System.Memory: ** 這表示一個連續的內存區域；

• System.ReadOnlyMemory: 類似ReadOnlySpan, 此類型表示內存的連續部分ReadOnlySpan, 它不是 ByRef 類型；

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

訪問連續內存: Span 和 Memory

開發者可能經常需要在應用程序中處理大量數據，例如字符串處理在任何應用程序中都是至關重要的，因此開發者必須遵循推薦的實踐以避免不必要的分配。開發者可以使用不安全的代碼塊和指針直接操作內存，但是這種方法有相當大的風險，指針操作容易出現錯誤，如溢出、空指針訪問、緩沖區溢出和懸空指針。如果 bug 只影響堆棧或靜態內存區域，那么它將是無害的，但是如果它影響關鍵的系統內存區域，則可能導致應用程序崩潰。

因此，出現了 Span<T> 和 Memory<T> ，能夠以安全的方式使用指針訪問內存。

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訪問任意內存的連續區域。Span<T> 和 Memory<T> 都是 System 命名空間的一部分，表示連續的內存塊，沒有任何復制語義。

C# 新版本添加了 Span<T> 、 Memory<T> 、 ReadOnlySpan 和 ReadOnlyMemory 類型 ，它們可以幫助開發者在安全和性能方面直接使用內存。

這些新類型在 System.Memory 命名空間中，適用于需要處理大量數據或希望避免不必要的內存分配(例如在使用緩沖區時)的高性能場景。與在 GC 堆上分配內存的數組類型不同，這些新類型提供了對任意托管或本機內存的連續區域的抽象，而不需要在 GC 堆上分配內存。

譯者注：因為它們都是 struct，會被分配到棧中。

Span<T> 和 Memory<T> 結構體為數組、字符串或任何連續的托管或非托管內存塊提供低級接口，它們的主要功能是促進微優化和編寫低分配代碼，以減少托管內存分配，從而減少垃圾收集器的負擔。它們還允許切片或處理數組、字符串或內存塊的某個部分，而無需復制原始內存塊。Span<T> 和 Memory<T> 在高性能領域非常有用，例如 ASP.NET Core 6 request-processing 管道。

Span 介紹

Span<T> (早期稱為 Slice) 出現于 C# 7.2/NET Core 2.1，創建它的開銷幾乎為零，它提供了一種使用連續內存塊的類型安全方法，例如：

• Arrays and subarrays 數組和子數組

• Strings and substrings 字符串和子字符串

• Unmanaged memory buffers 非托管內存緩沖區

Span 類型表示駐留在托管堆、堆棧甚至非托管內存中的連續內存塊，如果創建一個基元類型的數組(使用 stackalloc 創建)，它將在堆棧上分配，并且不需要垃圾回收來管理其生存期。Span<T> 能夠指向分配給堆棧或堆上的內存塊。但是，因為 Span<T> 被定義為 ref 結構，所以它應該只駐留在堆棧上。

以下是一目了然的 Span<T> 的特征:

• Value type 值類型

• Low or zero overhead 低或零開銷

• High performance 高性能

• Provides memory and type safety 提供內存和類型安全

開發者可以將 Span 與下列任一項一起使用

• Arrays

• Strings

• Native buffers 本地緩沖區

可以轉換為 Span<T> 的類型列表如下:

• Arrays

• Pointers 指針

• IntPtr 指針

• stackalloc

開發者可以將以下所有內容轉換為 ReadOnlySpan<T> :

• Arrays

• Pointers 指針

• IntPtr 指針

• stackalloc

• string

Span<T> 是一個僅堆棧類型， 準確地說它是一個 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，也不能在泛型參數中使用它們。但是，可以使用 span 來表示返回值或方法參數。請參考下面給出的代碼片段，它說明了 Span 結構的完整源代碼:

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

因為 Span 定義時，是 public readonly ref struct Span<T>，表示只能在堆棧中分配。

開發者可以在這里查看 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只讀字段: 一個本機指針和一個長度屬性，表示 Span 包含的元素數。

Span 的使用方式與數組相同，但是與數組不同，它可以引用堆棧內存，即堆棧上分配的內存、托管內存和本機內存。這為開發者提供了一種簡單的方法來利用以前只有在處理非托管代碼時才能獲得的性能改進。

若要創建空的 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存中創建 Byte 數組，然后從中創建 span 實例。

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數組創建 Span、如何將整數存儲在字節數組中以及如何計算存儲的所有整數的總和。

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內存（非托管內存）創建一個 Span：

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

現在可以使用下面的代碼片段在 Span 指向的內存中存儲整數，并顯示存儲的所有整數的總和:

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 關鍵字在堆棧內存中分配 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}");

需要開啟不安全代碼設置。

Span 和 Arrays

切片允許將數據視為邏輯塊，然后可以以最小的資源開銷處理這些邏輯塊。Span<T> 可以包裝整個數組，因為它支持切片，所以可以讓它指向數組中的任何連續區域。下面的代碼片段顯示了如何使用 Span<T> 指向數組中由三個元素組成的片段。

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 方法有兩個重載，允許基于索引創建，這允許將Span<T> 數據作為一系列邏輯塊來處理，這些邏輯塊可以單獨處理，也可以按照數據處理流水線的各個部分的要求來處理。

開發者可以使用 Span<T> 來包裝整個數組。因為它支持切片，所以它不僅可以指向數組的第一個元素，還可以指向數組中任何連續的元素范圍。

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

執行前面的代碼片段時，分片數組中的整數將顯示在控制臺上，如圖2所示。

Span 和 ReadOnlySpan

ReadOnlySpan<T> 實例通常用于引用數組項或數組的塊。與數組不同，ReadOnlySpan<T> 實例可以引用本機內存、托管內存或堆棧內存。Span<T> 和 ReadOnlySpan<T> 都提供了連續內存區域的類型安全表示， Span<T> 提供對內存區域的讀寫訪問， ReadOnlySpan<T> 提供對內存段的只讀訪問。

下面的代碼片段說明了如何使用 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

Memory<T> 是一個引用類型，它表示內存的一個連續區域，具有一個長度，但不一定從索引0開始，可以是另一個 Memory 中的許多區域之一。由 Memory 表示的內存甚至可能不是開發者自己的進程，因為它可能已經在非托管代碼中分配。內存對于表示非連續緩沖區中的數據非常有用，因為它允許開發者像對待單個連續緩沖區一樣對待它們，而不需要進行復制。

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> 還提供了一個安全的、可切片的視圖，可以進入任何連續的緩沖區，無論是數組還是字符串。與 Span<T> 不同，它沒有僅限于堆棧的約束，因為它不是類似于 ref 的類型。因此，開發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，就像對待任何其他 C# 結構一樣。

當需要修改或處理 Memory<T> 引用的緩沖區時，Span<T> 屬性允許開發者獲得高效的索引功能。相反，Memory<T> 是一種比 Span 更通用和高級的交換類型，它具有一個名為 ReadOnlyMemory<T> 的不可變的只讀對應物。

盡管 Span<T> 和 Memory<T> 都代表一個連續的內存塊，但與 Span<T> 不同，Memory<T> 不是一個 ref 結構。因此，與 Span<T> 相反，開發者可以在托管堆上的任何位置使用 Memory<T> 。因此，在 Memory<T> 中沒有與 Span<T> 中相同的限制，開發者可以使用 Memory<T> 作為類字段，并且可以跨 await 和 yield 邊界（下面會說到）。

ReadOnlyMemory

與 ReadOnlySpan<T> 類似，ReadOnlyMemory<T> 表示對連續內存區域的只讀訪問，但與 ReadOnlySpan<T> 不同，它不是 ByRef 類型。

現在請參考下面的字符串，其中包含由空格字符分隔的國家名稱。

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

通過提取字符串的方法提取每個國家的名稱，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;
        }
    }
}

開發者可以調用上述方法，并使用以下代碼片段在控制臺窗口中顯示國家名稱：

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

Span 和 Memory 的優勢

使用 Span 和 Memory 類型的主要優點是提高了性能。開發者可以通過使用 stackalloc 關鍵字來分配堆棧上的內存，該關鍵字分配一個未初始化的塊，該塊是 T[size]類型的實例。如果開發者的數據已經在堆棧上，則不需要這樣做，但是對于大型對象，這樣做很有用，因為以這種方式分配的數組只有在其作用域持續存在時才存在。如果使用堆分配的數組，可以通過 Slice()這樣的方法傳遞它們，并在不復制任何數據的情況下創建視圖。

這里還有一些好處：

• 它們減少了垃圾收集器的分配數量。它們還減少了數據的副本數量，并提供了一種更有效的方法來同時處理多個緩沖區；

• 它們允許開發者編寫高性能代碼。例如，如果開發者有一大塊內存需要分成小塊，那么使用 Span 作為原始內存的視圖。這允許開發者的應用程序直接從原始緩沖區訪問字節，而無需復制；

• 它們允許開發者直接訪問內存而無需復制內存。這在使用本機庫或與其他語言進行互操作時特別有用；

• 它們允許開發者在性能至關重要的緊密循環(如加密或網絡包檢查)中消除邊界檢查；

• 它們允許開發者消除與通用集合(如 List)相關的裝箱和取消裝箱成本；

• 通過使用單一數據類型(Span)而不是兩種不同類型(Array 和 ArraySegment) ，它們可以編寫更容易理解的代碼；

連續和非連續內存緩沖區

連續內存緩沖區是將數據保存在順序相鄰位置的內存塊，換句話說，所有的字節在內存中都是相鄰的。數組表示連續的內存緩沖區。

例如:

int[] values = new int[5];

上面示例中的五個整數將從第一個元素(值[0])開始，按順序放置在內存中的五個位置。

與連續緩沖區不同，開發者可以使用非連續緩沖區來處理多個數據塊并不相鄰的情況，或者在使用非托管代碼時使用非連續緩沖區，Span 和 Memory 類型是專門為非連續緩沖區設計的，并提供了使用它們的方便方法。

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

例如，IEnumable 是非連續的，因為在開發者逐個枚舉每個項之前，無法知道下一個項將在哪里。為了表示段之間的這些間隔，必須使用附加數據來跟蹤每個段的開始和結束位置。

不連續的緩沖區: ReadOnly 序列

讓作者們假設開發者正在使用一個不連續的緩沖區。例如，數據可能來自網絡流、數據庫調用或文件流。這些場景中的每一個都可以有多個大小不同的緩沖區。一個 ReadOnlySequence 實例可以包含一個或多個內存段，每個段可以有自己的 Memory 實例。因此，單個 ReadOnlySequence 實例可以更好地管理可用內存，并提供比許多串聯內存實例更好的性能。

開發者可以使用 SequenceReader 類上的工廠方法 Create()以及 AsReadOnlySequence()等其他方法創建 ReadOnlySequence 實例。Create() 方法有幾個重載，允許開發者傳入 byte [] 或 ArraySegment、字節數組序列(IEnumable)或 IReadOnlyCollection /IReadOnlyList/IList / ICollection 字節數組集合(byte [])和 ArraySegment。

開發者現在知道 Span<T> 和 Memory<T> 提供了對連續內存緩沖區(如數組)的支持。系統。緩沖區命名空間包含一個名為 ReadOnlySequense<T> 的結構，該結構支持處理不連續的內存緩沖區。下面的代碼片段說明了如何在 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);

開發者也可以使用 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);

實際場景

現在讓作者們來談談一個現實中的場景，以及 Span<T> 和 Memory<T> 是如何起作用的。請考慮以下字符串數組，其中包含從日志文件檢索到的日志數據:

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",
    "7IftPSBfCESNh5LD9yI6aw::05/12/2022 11:40:00 AM::http://localhost:2923/api/products/getallproducts"
};

請記住，開發者可以擁有數百萬條日志記錄，因此性能至關重要。這個示例只是從大量日志數據中提取的日志數據。每個行的數據由 HTTP 請求 ID、 HTTP 請求的 DateTime 和端點 URL 組成。現在假設開發者需要從這些數據中提取請求 ID 和端點 URL。

開發者需要一個高性能的解決方案。如果使用 String 類的 Substring 方法，就會創建許多字符串對象，這也會降低應用程序的性能。最好的解決方案是在這里使用 Span<T> 來避免分配。解決這個問題的方法是使用 Span<T> 和 Slice 方法，如下一節所示。

Benchmarking 基準測試

是時候測量一下了。現在讓作者們對 Span<T> struct 與 String 類的 Substring 方法的性能進行基準測試。

安裝 NuGet 包

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

PM> Install-Package BenchmarkDotNet

Benchmarking Span

現在讓作者們研究一下如何對 Substring 和 Slice 方法的性能進行基準測試。使用清單1中的代碼創建一個名為 BenchmarkPerformance 的新類。開發者應該注意在 GlobalSetup 方法中如何設置數據以及 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;
    }
}

現在，編寫名為 Substring 和 Span 的兩個方法，如清單2所示。前者使用 String 類的 Substring 方法檢索最后一個國家名稱，而后者使用 Slice 方法提取最后一個國家名稱。

[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);
    }
}

執行基準測試

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

若要執行基準測試，請將項目的編譯模式設置為“發布”，并在項目文件所在的同一文件夾中運行以下命令:

dotnet run -c Release

下圖顯示了基準測試的執行結果。

解讀基準測試結果

如上一小節的圖所示，在使用 Slice 方法提取字符串時，絕對沒有分配。對于每個基準測試方法，都會生成一行結果數據。因為有兩個基準測試方法，所以有兩行基準測試結果數據。基準測試結果顯示了平均執行時間、 Gen0集合和分配的內存。從基準測試結果中可以明顯看出，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對緩沖區的引用，例如在執行異步調用的例程中。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到托管堆。不能將 Span<T> 用作泛型類型，但可以將其用作 ref 結構中的字段類型。不能將 Span<T> 賦給動態類型、對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，也不能跨等待和產生邊界使用它。此外，由于 Span<T> 不繼承 IEnumable，因此不能對其使用 LINQ。

需要注意的是，類中不能有 Span<T> 字段，不能創建 Span<T> 數組，也不能包含 Span<T> 實例。注意， Span<T> 和Memory<T> 都沒有實現 IEnumable<T> ，因此，開發者將無法使用 LINQ 與這兩者操作。但是，開發者可以利用 SpanLinq 、 NetFabric、Hyperlinq 庫來繞過這個限制。

到此，關于“在C#中怎么使用Span<T>和Memory<T>編寫高性能代碼”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！