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关于c#:C-Span-源码解读和应用实践

jiezi

一：背景

1. 讲故事

这两天工作上太忙没有及时继续的文章产出，和大家说声道歉，前几天群里一个敌人在问什么时候能够产出 Span 的下一篇，哈哈，这就来啦！读过上一篇的敌人应该都晓得 Span 对立了 .NET 程序 栈 + 托管 + 非托管 实现了三大块内存的对立拜访，????????，而且在 .net 底层 Library 中也是一等公民的存在，很多现有的类都提供了对 Span / ReadOnlySpan 的反对。

  • String 对 Span / ReadOnlySpan 的反对 

    public sealed class String
    {[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
        [NullableContext(0)]
        public extern String(ReadOnlySpan<char> value);
    }
  • StringBuilder 对 Span / ReadOnlySpan 的反对 

    public sealed class StringBuilder : ISerializable
    {public unsafe StringBuilder Append(ReadOnlySpan<char> value)
        {if (value.Length > 0)
            {fixed (char* value2 = &MemoryMarshal.GetReference(value))
                {Append(value2, value.Length);
                }
            }
            return this;
        }
    }
  • Int 对 Span / ReadOnlySpan 的反对 

    public readonly struct Int32
    {public static int Parse(ReadOnlySpan<char> s, NumberStyles style = NumberStyles.Integer, IFormatProvider? provider = null)
        {NumberFormatInfo.ValidateParseStyleInteger(style);
            return Number.ParseInt32(s, style, NumberFormatInfo.GetInstance(provider));
        }
    }

怎么样，这些通用 & 根底的类都在鼎力对接 Span / ReadOnlySpan，更别说简单类型了，其位置不言自明哈，接下来咱们就从 Span 自身的机制聊起。

二：Span 原理探索

1. Span 源码剖析

灵活运用 Span 解决工作中的理论问题我置信大家应该没什么故障了，有了这个根底再从 Span 的源码 和 用户态 和大家一起深度分析，从源码开始吧。


    public readonly ref struct Span<T>
    {
        internal readonly ByReference<T> _pointer;

        private readonly int _length;
    }

下面代码的 ref struct 能够看出，这个 Span 是只能够调配在栈上的值类型，而后就是外面的 _pointer 和 _length 两个实例字段，不晓得看完这两个字段脑子里是不是有一幅图，大略是这样的。

能够清晰的看出，Span 就是用来映射一段能够间断拜访的内存地址，空间大小由 length 管制，开始地位由 _pointer 指定，是不是像极了指针????????????，是的，语言团队要保障你的程序高性能，还得照护你的人身安全，出了各种伎俩，真是殚精竭虑！????????????

2. Span 用户态剖析

尽管图曾经画了，但还是有很多敌人心愿眼见为实，必须实操演练，嘿嘿，无惧任何挑战，那我先把下面的图化成代码：


        static void Main(string[] args)
        {var nums = new int[] {1, 2, 3, 4, 5, 6};

            var span = new Span<int>(nums);

            Console.ReadLine();}

接下来我用 windbg 把线程栈中的 span 也找进去。


0:000> !clrstack -l
OS Thread Id: 0x181c (0)
        Child SP               IP Call Site
000000963277E5D0 00007ffc3e601434 ConsoleApp1.Program.Main(System.String[]) [E:\net5\ConsoleApp2\ConsoleApp1\Program.cs @ 13]
    LOCALS:
        0x000000963277E618 = 0x000001e956b8ab10
        0x000000963277E608 = 0x000001e956b8ab20

从最初一行代码能够看出：span 的栈地址是 0x000000963277E608，栈内容是：0x000001e956b8ab20，依照图的实践：0x000001e956b8ab20 应该是 nums 数组元素 1 的内存地址，能够用 dp 验证一下。


0:000> dp 0x000001e956b8ab20
000001e9`56b8ab20  00000002`00000001 00000004`00000003
000001e9`56b8ab30  00000006`00000005 00000000`00000000
000001e9`56b8ab40  00007ffc`3e6c4388 00000000`00000000

从下面三行内存地址来看，数组的：1，2，3，4，5，6 顺次排列，有些敌人可能有点小疑难，为啥 nums 的内存地址不是指向数组元素 1 的呢？那我来遍及一下吧，先用 dp 唤出数组的内存地址。


0:000> dp 0x000001e956b8ab10
000001e9`56b8ab10  00007ffc`3e69f090 00000000`00000006
000001e9`56b8ab20  00000002`00000001 00000004`00000003
000001e9`56b8ab30  00000006`00000005 00000000`00000000

能够看出，第一排为: 00007ffc3e69f090 0000000000000006, 后面的 8 byte 示意 数组 的 办法表地址，前面的 8byte 示意 6，也就是说数组有 6 个元素，不信的话我截一张图：

span 是由 _pointer + length 组成的，方才的 _pointer 也给大家演示了，那 length 的值在哪里呢？因为 span 是 struct，所以须要用 dp 把方才的线程栈最小的栈地址打进去就能够了。

到这里，我感觉我讲的曾经够分明了，如果还有点懵的话能够认真想一想哈。

三：Span 在 String 和 List 的实际

Span 的利用场景真的是太多了，不可能在这篇一一列举，这里我就举两个例子吧，让大家可能感触到 Span 的弱小即可。

1. 在 String 上的利用

案例：如何高效的计算出用户输出的值 10+20 ?

1) 传统 Substring 做法

传统的做法很简略, 截取呗，代码如下：


        static void Main(string[] args)
        {
            var word = "10+20";

            var splitIndex = word.IndexOf("+");

            var num1 = int.Parse(word.Substring(0, splitIndex));

            var num2 = int.Parse(word.Substring(splitIndex + 1));

            var sum = num1 + num2;

            Console.WriteLine($"{num1}+{num2}={sum}");

            Console.ReadLine();}

后果是很轻松的算进去了，但你认真想想这里是不是有点什么问题，比如说为了从 word 中扣出 num，我用了两次 SubString，就意味着会在 托管堆 上生成两个 string，如果说我执行 1w 次话，那托管堆上会不会有 2w 个 string 呢？批改代码如下：


            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {var num1 = int.Parse(word.Substring(0, splitIndex));

                var num2 = int.Parse(word.Substring(splitIndex + 1));

                var sum = num1 + num2; 
            }

而后看一下 托管堆 上 String 的个数 


0:000> !dumpheap -type String -stat
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
00007ffc53a81e18    20167       556538 System.String

托管堆上有 20167 个，挺恐怖的，真的是给 GC 添麻烦哈，这里还有 167 个是零碎自带的，接下来的问题是有没有方法替换 SubString 从而不生成长期 string 呢？

2) 旧式 Span 做法

如果看懂了 Span 结构图，你就应该会应用 _pointer + length 将 string 进行切片解决，对不对，代码如下：


            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {var num1 = int.Parse(word.AsSpan(0, splitIndex));

                var num2 = int.Parse(word.AsSpan(splitIndex));

                var sum = num1 + num2; 
            }

而后在 托管堆 验证一下，是不是没有 长期 string 了？


0:000> !dumpheap -type String -stat
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
00007ffc53a51e18      167        36538 System.String

能够看到就只有 167 个零碎字符串，性能也失去了不小的晋升，????????????。

2. 在 List 上的利用

平时用 Span 的时候，更多的会利用到 Array 下面，毕竟 Array 在托管堆上是间断内存，不便 Span 在下面画一个可视窗口，其实不仅仅是 Array，从 .NET5 开始在 List 上画一个视图也是能够的，截图如下：

因为 List 的 CURD 会导致底层的 Array 忽长忽短或重新分配，也就无奈实现物理上的间断内存，所以 Span 利用到 List 之后，心愿 List 是不可变的，这也是官网的倡议。

四：总结

总的来说，Span 在 .NET 底层框架中的位置是越来越显著了，置信 netCore 谋求更高更快的性能上 Span 肯定大有可为，大家连忙学起来，????????????

更多高质量干货：参见我的 GitHub: dotnetfly

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