C# Span 源码解读和应用实践

一：背景

1. 讲故事

这两天工做上太忙没有及时持续的文章产出，和你们说声抱歉，前几天群里一个朋友在问何时能够产出 Span 的下一篇，哈哈，这就来啦！读过上一篇的朋友应该都知道 Span 统一了 .NET 程序 栈 + 托管 + 非托管 实现了三大块内存的统一访问，🐂👃，并且在 .net 底层 Library 中也是一等公民的存在，不少现有的类都提供了对 Span / ReadOnlySpan 的支持。

• String 对 Span / ReadOnlySpan 的支持

public sealed class String
    {
        [MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
        [NullableContext(0)]
        public extern String(ReadOnlySpan<char> value);
    }

• StringBuilder 对 Span / ReadOnlySpan 的支持

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 的支持

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 & 基础的类都在大力对接 Span / ReadOnlySpan，更别说复杂类型了，其地位不言自明哈，接下来咱们就从 Span 自己的机制聊起。

二： Span 原理探究

1. Span 源码分析

灵活运用 Span 解决工做中的实际问题我相信你们应该没什么毛病了，有了这个基础再从 Span 的源码 和 用户态 和你们一块儿深度剖析，从源码开始吧。

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

        private readonly int _length;
    }

上面代码的 ref struct 能够看出，这个 Span 是只能够分配在栈上的值类型，而后就是里面的 _pointer 和 _length 两个实例字段，不知道看完这两个字段脑子里是否是有一幅图，大概是这样的。

能够清晰的看出，Span 就是用来映射一段能够连续访问的内存地址，空间大小由 length 控制，开始位置由 _pointer 指定，是否是像极了指针😁😁😁，是的，语言团队要保证你的程序高性能，还得照护你的人身安全，出了各类手段，真是煞费苦心！ 👍👍👍

2. Span 用户态分析

虽然图已经画了，但仍是有不少朋友但愿眼见为实，必须实操演练，嘿嘿，无惧任何挑战，那我先把上面的图化成代码：

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 也找出来。

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

从最后一行代码能够看出：span 的栈地址是 0x000000963277E608，栈内容是：0x000001e956b8ab20，按照图的理论： 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

从上面三行内存地址来看，数组的：1，2，3，4，5，6 依次排列，有些朋友可能有点小疑问，为啥 nums 的内存地址不是指向数组元素 1 的呢？ 那我来普及一下吧，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, 前面的 8 byte 表示 数组 的 方法表地址，后面的 8byte 表示 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，刚才的 _pointer 也给你们演示了，那 length 的值在哪里呢？ 由于 span 是 struct，因此须要用 dp 把刚才的线程栈最小的栈地址打出来就能够了。

到这里，我以为我讲的已经够清楚了，若是还有点懵的话能够仔细想想哈。

三：Span 在 String 和 List 的实践

Span的应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，让你们可以感觉到 Span 的强大便可。

1. 在 String 上的应用

案例：如何高效的计算出用户输入的值 10+20 ?

1) 传统 Substring 作法

传统的作法很简单,截取呗，代码以下：

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();
        }

结果是很轻松的算出来了，但你仔细想一想这里是否是有点什么问题，好比说为了从 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，若是说我执行 1w 次话，那托管堆上会不会有 2w 个 string 呢？ 修改代码以下：

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 个是系统自带的，接下来的问题是有没有办法替换 SubString 从而不生成临时string呢？

2) 新式 Span 作法

若是看懂了 Span 结构图，你就应该会使用 _pointer + length 将 string 进行切片处理，对不对，代码以下：

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，是否是没有 临时 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 个系统字符串，性能也获得了不小的提高，🐂👃🦆。

2. 在 List 上的应用

平时用 Span 的时候，更多的会应用到 Array 上面，毕竟 Array 在托管堆上是连续内存，方便 Span 在上面画一个可视窗口，其实不只仅是 Array，从 .NET5 开始在 List 上画一个视图也是能够的，截图以下：

由于 List 的 CURD 会致使底层的 Array 忽长忽短或从新分配，也就没法实现物理上的连续内存，因此 Span 应用到 List 以后，但愿List是不可变的，这也是官方的建议。

四：总结

总的来讲，Span 在 .NET 底层框架中的地位是愈来愈显著了，相信 netCore 追求更高更快的性能上 Span 必定大有可为，你们赶忙学起来，😀😀😀

更多高质量干货：参见个人 GitHub: dotnetfly