【5min+】闪电光速拳？ .NetCore 中的Span

系列介绍

简介

【五分钟的DotNet】是一个利用您的碎片化时间来学习和丰富.net知识的博文系列。它所包含了.net体系中可能会涉及到的方方面面，比如C#的小细节，AspnetCore，微服务中的.net知识等等。

5min+不是超过5分钟的意思，"+"是知识的增加。so，它是让您花费5分钟以下的时间来提升您的知识储备量。

正文

在dotnet core2.x之后，引入了一个叫做Span<T>的类型。如果您的项目已经升级到了新版的dotnet core 以及使用C# 7+。您会发现我们曾经使用的许许多多类型都增加了一个扩展方法“AsSpan()”。在Vs中小手一点就会出现：

var s = ("xxx").AsSpan();
var s1 = new byte[10].AsSpan();
//.......more

那么这个家伙到底是个什么东西？怎么用呢？

先来扒一扒它的内部方法：

public readonly ref struct Span<T>
{
    public void Clear();
    public void CopyTo([NullableAttribute(new[] { 0, 1 })] Span<T> destination);
    public void Fill(T value);
    public Enumerator GetEnumerator();
    public Span<T> Slice(int start, int length);
    public T[] ToArray();
    public override string ToString();

    //.....
}

这里只展示它部分的方法，但是关键的一点我们可以看到：它是一个结构性（struct 关键字）。

而且！！而且！！！ 你没看错，它还加了一个ref关键字。

所以按照我们在上一篇文章中介绍过的 .net中的栈和堆，我们猜想这种结构类型的数据应该是存放在内存栈中，具有很快的访问速度。而且它拥有了ref关键字，证明它具有ref结构体的特点:

• 不能对 ref struct 装箱
• ref struct 类型不能实现接口
• 不能将 ref struct 声明为类或常规结构的字段成员
• 不能声明异步方法中属于 ref struct 类型的本地变量
• 无法在迭代器中声明 ref struct 本地变量
• 无法捕获 Lambda 表达式或本地函数中的 ref struct 变量

而且根据它公开的这些方法，我们会发现它有点类似我们常用的几个基础类型：string 、 byte[] ……。

所以直觉告诉我们，它应该是一个拿来存放数据的类型。

so，来看看MSDN - Magazine中它的解释：

System.Span<T> 是在 .NET 中发挥关键作用的新值类型。使用它，可以表示任意内存的相邻区域，无论相应内存是与托管对象相关联，还是通过互操作由本机代码提供，亦或是位于堆栈上。除了具有上述用途外，它仍能确保安全访问和高性能特性，就像数组一样。

果不其然，和我们猜想的一样。那么它出现的意义是什么呢？ 性能！！！！

而且是超级快的性能。大家都知道以往如果我们想提高数据间的操作效率（比如数据偏移、裁剪等），就只能使用指针来操作内存中的数据。这样虽然一波操作猛如虎，但是写起来费劲不说，我们还得将传统的C#代码设置为不安全代码，除了添加unsafe关键字之外还需要打开项目中执行不安全代码的选项。

所以，有没有办法既不操作指针而又有高性能呢？ 好吧，Span大爷来了。

Span在C# 7.x中被引入，所以它的年龄还算比较小，也是因为这些原因。以往的项目可能没有办法使用它。

它到底有多快

大家一般都是想直接看东西，所以我写了一份对比的代码。功能很简单，都是截取字符串中的一部分代码，并且进行多次的循环操作。

执行结果我都惊呆了：

是的，您没有看错。差距不是一般的大。

其实刚开始我以为Span并没有什么作用，因为我将数据源（图中的compareStr）仅仅设置为了几个单词。然后对他们进行了1亿的循环操作，但是最后的结果只有很小的差距，不到百分之30。

后来我想了一下，应该让数据更贴近现实，于是就将一张图片转换为base64然后作为数据源。结果惊呆了，差了接近百倍。而且随着循环次数和对数据源的操作次数的增多，Span和传统字符串之间的性能差距更大。

传说中的闪电光速拳到底有多快呢

它为什么这么快

它与传统的string操作比起来为什么会具有这么快的速度呢？ 按照我们之前的一些猜想和msdn所给出的一点信息，我们可以得到以下的结论：

• 它分配堆栈上而不是在托管堆。
• 它所创建的数据是内存连续的，因此具有更快的遍历速度。

这些特点和string等原有类型比起来就非常的具有优势了：原来对string操作涉及到大量的字符串分配和内存复制。所以当操作的数据量小的时候还好，但是随着操作次数和处理数据量的增加之后，这是非常消耗性能的。

​

Span会给我们带来什么

那么，既然它拥有如此高的性能，那么我们该在什么地方使用它呢？

这很简单，如果您以前有对大量字符串进行截取或者处理的地方，一般都可以替换为Span。（为什么是一般呢?）

除了string可以转换为span之外，其它的byte[]，char[]等等都可以转换为span进行操作。所以这是非常值得高兴的一件事情，它会为我们数据处理带来显著的性能提升。比如字节流缓冲，视频流的处理，数据的加密解密等等操作都可以使用Span来完成了。

so,在现在的.NETCore runtime中，您会发现大量的类中都开始使用了Span。

而且，Span为我们实现了Explicit 和 Implicit，所以我们可以直接将支持的数组类型赋值给Span： (如果您不了解这两个关键字：戳这儿)

var arr = new byte[10];
Span<byte> bytes = arr; // 直接将byte[]赋值给Span

心动了吗？了解以下Span，并且尝试着使用它吧。

但是，请注意！！ Span也是具有缺点的：因为只能存放在内存栈中，所以它不具有线程安全，它无法跨异步操作。还有它ref结构的原因，无法装箱拆箱等。

那么如果我们需要跨线程共享数据，又想拥有高性能怎么办呢？ 别急，下一期咱们再来谈。?