C++20 | std::span 陣列、容器的代理人

在 C++ 裡頭有相當多「容器」。從原生的陣列，到標準庫 STL 的 vector, array, list, queue, map, set, …。有時候我們只是想以檢視的角度去看一個容器，或是其中一段內容，而不需要底下龐大的資料結構支撐其運作，也不想要擁有這個容器內的元素，這就是 C++20 中標準庫引入 span 概念的原由。

同樣概念在 C++17 時代就針對 string 這個「容器」有相對應的解決方案，就是 string_view字串視圖。

對，他就是個不具資料擁有權的代理 (proxy) 而已。我們今天就來帶各位同學解析一下 span 的用法還有原理。

長怎樣 / 怎麼用

根據 span 的標準提案 (P0122R7) 裡的敘述，

std::span 是一個不具所有權且用來檢視連續資料的一個觀察者 (view)。

他就藏在標頭檔 <span> 裡面。各位同學不是隔壁棚

的親戚。

#include <span>

而他的定義在標準中大概 / 可能 / 可以長這樣子：

template<
	class T,
	std::size_t Extent = std::dynamic_extent
> class span;

意思就是他其實是一個樣版類別 (template class)。依照我們初始化他的容器內容物型別 (可能還有長度) 去推導。

• T 就是你想檢視的容器內容物的型別，比如你今天想檢視的容器是個 vector<int>，那這兒的 T 就是 int。
• Extent 是非型別樣版參數，代表我們想檢視的容器範圍寬度，可以是一個簡單的非負整數或是 std::dynamic_extent (預設)，代表動態寬度。大家看到這裡掛了一個預設引數，就知道在標準庫設計中，span 大部份使用情境之下我們是不太需要在意容器檢視範圍的寬度的。
• 當然這裡的「動態」當然不是真的可以變長變短，而是指在運行期 (run-time) 初始化 span 時才會知道範圍寬度，編譯期 (compile-time) 還不知道的意思。

包裝 C++ 原生陣列

包裝原生陣列的方法很簡單，就直接把一個原生陣列丟進去 span 的 constructor 創一個 span 物件就好 (C++17 以後，就算是樣版類別，宣告物件時也不用手動丟參數具現化樣版)。如同下面代碼中 main() 裡面的 arr_sp。

用 span 包裝 C++ 原生陣列的幾種方法

void print_sp(const std::span<int> &sp)
{
    std::cout << "Size: " << sp.size() << std::endl;
    for (auto & i : sp)
        std::cout << i << ' ';
    std::cout << std::endl;
}

int main()
{
    int arr[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8};
    std::span arr_sp{arr};
    std::span arr_sp2{arr + 2, arr + 6};
    std::span arr_sp3{arr + 3, 4};

    std::cout <<arr_sp[2] << std::endl; // 2

    print_sp(arr_sp);
    // Size: 9
    // 0 1 2 3 4 5 6 7 8
    print_sp(arr_sp2);
    // Size: 4
    // 2 3 4 5
    print_sp(arr_sp3);
    // Size: 4
    // 3 4 5 6
}

除了直接包裝整個陣列 (arr_sp) 以外，我們也可以用錨點的方式構造一個 span：

• 在 span 的 constructor 給定陣列的起點還有終點的指標。和標準庫的慣例一樣，作用範圍包含起點、不包含終點。代碼中的 arr_sp2。
• 在 span 的 constructor 給定陣列的起點還有長度。代碼中的 arr_sp3。

以 std::span 這個代理人包裝原生陣列之後，不用說，我們依舊可以像古時候一樣以 [] 去存取底下的陣列元素。

比較炫炮的是，如同print_sp()裡的用法：我們可以現代化的 ranged-base for loop 去列舉代理範圍內的元素 ，呼叫 size()獲得 span 代理的範圍長度，也提供 begin() / end() 這對活寶，也就是通過 C++ 中的 iterator 來存取範圍內元素。

特別要注意的是，[] 如果存取越界的話，這個在標準中說是未定義行為，各家編譯器帶的標準庫或是 open source 實作可以各自表述，所以大家還是要小心點不要亂搞 XD。

古時候把陣列傳來傳去總是需要在函式參數多標示個長度，甚至需要描述區段時，還需要多兩個參數標示起點終點，通過 span 樣版把長度吃進去類別裡面，完全省去這層困擾，且幾近零時間成本，程式也變得簡潔好懂多了。

// Before
int read_info_buf(char buf[], int size) {}

char buf[BUF_SIZE];
read_info_buf(buf, BUF_SIZE);

// After
int read_info_buf(std::span<char> s) {}
char buf[BUF_SIZE];
read_info_buf(buf);

包裝 C++ 標準庫 STL 的容器 (Container)

身為 C++20 的新發明，span 肯定可以拿來包 C++ 標準庫裡面那堆容器 (Container) 了是吧？是，也不是。

記得我們前面提到 span 代表的是一連串連續的資料。因此能被 span 包裝的容器自然也就必須是連續的容器 (sequential contiguous container)：也就是只有 array，vector(除開 vector<bool>)，string，span。

補充一下，舉例來說，在 clang 9.0.1/LLVM 的 span constructor SFINAE 實作方法是判斷

• std::data(Container) 是否是 well-formed。
• 而且 std::data(Container) 這個函式回傳的指標所指向的型別形成的陣列能否轉型成 span 想包裝的內容物的陣列。

上面看不懂沒關係，重點是怎麼用，其實跟上面包裝原生的 C++ 陣列 87% 像：直接丟容器給 span。不多說直接上圖

我們從上面代碼的 main() 裡面總結一下 span 幾種包裝 STL 的方法：

• 直接以一個 array 初始化 span。
• 以 array 的 begin() 和 array 的 end() 初始化。
• 以 a_sp 呼叫 subspan(2, 2) 得到一個從 2 開始、長度為 2 的 span，並拿來初始化一個新的 span。
• 以一個 vector (除開 vector<bool>) 初始化 span。
• 以一個 string 初始化 span。

另外也稍微提一下 span 提供的幾個分段函式：

• first(3)： 對一個 span 取前 3 個元素成為一個新的 span。
• last(5)： 對一個 span 取後 5 個元素成為一個新的 span。
• subspan(2, 2): 對一個 span 從位置 2 開始，取兩個元素成為一個新的 span。

靜態長度 Static extent

前面稍為提到惹，所謂靜態的長度是指在編譯時期就直接知道想包裝的範圍寬度多長。像是前面舉例的代碼裡頭，span 拿來包裝 C++ 原生陣列，或是包裝 **std::array** 在 constructor 都會推導出 static extent，在這裡我自己把他取名叫靜態 **span**。

對我們包裝一個容器來說，span 擁有 static extent 帶給我們最大的好處就是可以把代碼寫得更加炫炮。

結合 C++17 Structured Binding

在提案 p1024r3 裡面提到了：既然原生陣列和標準庫的 array 從 C++17 起就支援了 structured binding，那麼能包裝這些東西的 span 也應該要能支援 structured binding，才能達到完整的 array reference 的效用。所以這個提案改動了

• 實作 std::get 對靜態 span 的支援。
• 實作 std::tuple_size 和 std::tuple_element 對 span 的支援。
• 也就是可以通過 structured binding 直接解構一個靜態 **span**。

按照 C++17 的 structured binding 語法完美套用，無縫接軌。直接上圖

編譯器支援 / Open Source

上面所有代碼都在 MacOS 10.15.2 使用 clang/LLVM 9.0.1 編譯測試過，這篇文章寫作當下幾家編譯器大廠也就 clang 的 libc++ 有釋出 std::span 的實作。GCC 說 libstdc++ 10 版會出，而 MSVC 就…再看看 XD

其實 span 的呼聲一直都有，最早可以追溯到 2012 年的 array reference，只是進標準的進程一直很緩慢就是了，所以網路上也產生了各家實作的開源 span 版本，大家可以不用裝 clang 就簡單上手一下，

• 比如 Microsoft 的 GSL (需要你的編譯器支援 C++14)。
• tcbrindle/span (編譯器支援 C++11 就可)。
• martinmoene/span-lite (C++98)

值得一提的是，隨著 span 的標準進展，除了各種開源實作，另一種 span 的擴展的呼聲和其開源也逐漸冒了出頭，那就是把包裝的連續資料視為多維空間的 mdspan。有興趣的同學也可以去看看 XD 大概是醬 888