关于 Span 的一切：探索新的 .NET 明星: 4. Span<T> 和 Memory<T> 是如何与 .NET 库集成的？

4. Span<T> 和 Memory<T> 是如何与 .NET 库集成的？

• 1. Span<T> 是什么？
• 2. Span<T> 是如何实现的？
• 3. 什么是 Memory<T>，以及为什么你需要它？
• 4. Span 和 Memory 是如何与 .NET 库集成的？
• 5. NET 运行时
• 6. C# 语言和编译器受到什么影响？

在前面的 Memory<T> 代码片段中，你应该注意到，在调用 Stream.ReadAsync() 的方法中传递了 Memory<byte> 参数。但是现在的 .NET 中的 Stream.ReadAsnc() 实际上接受类型为 byte[]。这是怎么工作的呢？

为了支持 Span<T> 和相关类型，数百个新的成员和类型被添加到 .NET 的各个部分。多数是现在的基于数组和基于字符串的重载方法，其它全新的类型则专注于特性的处理领域。例如，所有的基础类型，例如 Int32 现在在支持字符串的基础上，拥有支持 ReadOnlySpan 的 Parse 重载。想象一下，当你期望处理由两个数字通过逗号连接起来的字符串 ( 例如：123,456 )，你希望解析出来这两个数字，现在你可以如下编码：

string input = ...;
int commaPos = input.IndexOf(',');
int first = int.Parse(input.Substring(0, commaPos));
int second = int.Parse(input.Substring(commaPos + 1));

不过，这导致了两次字符串分配。如果你在编写性能敏感的代码，那么两次字符串分配就太多了，相反，你可以如下完成：

string input = ...;
ReadOnlySpan<char> inputSpan = input;
int commaPos = input.IndexOf(',');
int first = int.Parse(inputSpan.Slice(0, commaPos));
int second = int.Parse(inputSpan.Slice(commaPos + 1));

通过使用新的基于 Span 的 Parse 重载，你可以使得整个操作无内存分配发生。类似的解析和格式化方法也出现在基础类型，比如 Int32 中，这贯穿了核心类型，例如 DateTime、TimeSpan 和 Guid 中，以至于更高级别的类型，例如 BigInteger 和 IPAddress 中。

实际上，众多此类方法已经被添加到整个框架中。从 System.Random 到 System.Text.StringBuffer 到 System.Net.Sockets，这些添加的重载使得处理 {ReadOnly}Span<T> 和 {ReadOnly}Memory<T> 更为简单和高效。有些还带来了额外的优点。例如，Stream 现在由这个方法：

public virtual ValueTask<int> ReadAsync(
  Memory<byte> destination,
  CancellationToken cancellationToken = default) { ... }

你将会注意到与现有的 ReadAsync() 方法接受一个 byte[] 并返回一个 Task<int> 不同，这个重载方法不仅接受一个 Memory\<byte> 来代替 byte[]，还返回一个 ValueTask\<int> 而不是 Task\<int>。ValueTask\<int> 是用来帮助避免内存分配的结构，异步方法被频繁期待同步返回的场景，与我们缓存所有通常返回值不同。例如，运行时可以缓存完成的 Task<bool> 的值 true，和另外一个 false，但是它不能对于 Task<int> 所对应的所有整数返回值。

因为对于流的实现很常见的场景是通过某种方式缓存，使得 ReadAsync() 方法调用同步使用，这个新的 ReadAsync() 重载方法返回 ValueTask<int> 值。这意味着同步完成的异步流读取操作可以完全避免内存分配。ValueTask<int> 也用于其它的重载，比如 Socket.ReceiveAsync()，Socket.SendAsync()，WebSocket.ReceiveAsync() 和 TextReader.ReadAsync()。

此外，在某些地方，Span<T> 允许框架包含过去引起内存安全问题的方法。请考虑这样一种场景：你希望创建一个包含随机生成值的字符串，例如某种 ID。今天，你可能会编写需要分配 char 数组的代码，如下所示：

int length = ...;
Random rand = ...;
var chars = new char[length];
for (int i = 0; i < chars.Length; i++)
{
  chars[i] = (char)(rand.Next(0, 10) + '0');
}
string id = new string(chars);

你可以使用堆栈分配内存，进而获得 Span<char> 的好处，来避免需要使用不安全的代码。这种方式还可以对接受 ReadOnlySpan<char> 的字符串构造函数获得好处，例如：

int length = ...;
Random rand = ...;
Span<char> chars = stackalloc char[length];
for (int i = 0; i < chars.Length; i++)
{
  chars[i] = (char)(rand.Next(0, 10) + '0');
}
string id = new string(chars);

这种方式更好，这样你可以避免堆内存分配，但是你仍然被强制要求复制在堆栈上生成的数据复制到字符串中。这种方式还只能工作在当需要的内存足够小到可以在堆栈分配。如果长度足够小，例如 32 个字节，这样很不错，但是，如果是上千字节的话，会很容易导致堆栈溢出。怎么样可以直接写入到字符串的内存中呢？Span<T> 支持你做到这一点。除了字符串的新构造函数，字符串还有一个新的 Create() 方法：

public static string Create<TState>(
  int length, TState state, SpanAction<char, TState> action);
...
public delegate void SpanAction<T, in TArg>(Span<T> span, TArg arg);

该方法被实现为分配字符串空间，然后返回一个可写入的 Span，以便你可以在字符串构造之后填充其内容。注意，Span 本质上在堆栈操作对该场景是优势，生成这个 Span ( 指向字符串的内部存储 ) 将在字符串构造完成之前存在，使得它不可能在构造完成之后使用该 Span 来改变字符串。

int length = ...;
Random rand = ...;
string id = string.Create(length, rand, (Span<char> chars, Random r) =>
{
  for (int i = 0; chars.Length; i++)
  {
    chars[i] = (char)(r.Next(0, 10) + '0');
  }
});

现在，你不仅可以避免内存分配，你还直接写入在堆上分配的字符串内存，这意味着你也避免了内存复制，并且也没有被堆栈的尺寸所限制。

除了核心框架类型中新增加的成员，众多新的 .NET 类型也被开发出来与 Span 一起工作来高效处理特定的场景。例如，开发人员寻找编写重度涉及文本处理的高性能的微服务和 Web 站点，当处理 UTF-8 编码字符串的时候，如果不会从字符串编码和解码就会获得显著的性能提升。为支持这种处理，新的类型比如 System.Buffers.Text.Base64、System.Buffers.Text.Utf8Parser 和 System.Buffers.Text.Utf8Formatter 被添加进来。这些对于字节的 Span 操作，不仅避免了 Unicode 编码和解码，而且可以使得它们与原生缓冲区协作，这对于非常低级的多种网络栈来说很常见。

ReadOnlySpan<byte> utf8Text = ...;
if (!Utf8Parser.TryParse(utf8Text, out Guid value,
  out int bytesConsumed, standardFormat = 'P'))
  throw new InvalidDataException();

所有这些功能不仅可以公共使用，框架本身也从基于 Span<T> 和 Memory<T> 的方法中获得更好的性能。跨 .NET Core 的呼叫站点已切换到使用新的 ReadAsync 重载，以避免不必要的分配。原来完成的通过分配子字符串的解析，现在通过无分配的解析获益。甚至更小的类型，例如 Rfc2898DeriveBytes 也使用了这种方式，在 System.Security.Cryptography.HashAlgorithm 中的 TryComputeHash() 方法使用新的基于 Span 的方式，在分配内存上获得巨大的优势 ( 算法的每次迭代分配一个字节数组，这可能会迭代上千次 )。以及吞吐量的提高。

这些不止于核心 .NET 库；它延展到所有的技术栈。ASP.NET Core 现在重度依赖于 Span，例如，Kestrel 服务器的 HTTP 解析器基于此开发。将来，Span 很可能会从较低级别的 ASP.NET Core（例如其中间件管道）中的公共 API 中公开。