.net下的span和memory

.net core 2.1的重头戏就是性能，其中最重要的两个类就是span和memory，本文这里简单的介绍一下这两个类的使用。

什么是 Span<T>

Span<T> 是新一种新值类型。它表示一段连续的区域，它通常和数组关联，表示数组中的一部分内存。

var        arr   = new byte[10];
Span<byte> bytes = arr;

也可以取数组中的一部分：

var bytes = new Span<byte>(arr, 3, 5);

初一乍看，span<T>和ArraySegment<T>非常类似，但span更加强大得多，它不但能用于分离数组，还可以引用栈上的数据。

Span<byte> bytes = stackalloc byte[2];

也可以引用指针数据，

Span<byte> bytes;
unsafe { bytes = new Span<byte>((byte*)ptr, 1); }

另外，span还支持 reinterpret_cast 的理念，即可以将 Span<byte> 强制转换为 Span<int>，配合MemoryMarshal类使用，span<T>大多数的时候都可以代替指针了。

除了功能更加强大外，span在bcl库中也得到了更多的支持，大多数支持数组的函数现在基本上都能直接支持span了，如：

var inputSpan = input.AsSpan();
int first     = int.Parse(inputSpan.Slice(3, 5));

这个函数中，int.Parse函数就能直接支持span，并且由于不产生子字符串，比使用substring的方法性能更高。

另外，系统也支持数组类型到span的隐式转换，同时提供了AsSpan的显示扩展方法，方便将数组类型转换为span。

除了功能强大外，span的性能也是非常高的，对span的操作基本上和访问数组一样高，无需通过计算来确定指针开头及其起始偏移，因为"引用"字段本身已对两者进行了封装。相比之下，ArraySegment<T> 有单独的偏移字段，这就增加了索引编制和数据传递操作的成本。

什么是 Memory<T>

Span<T>虽然强大而好用，但它只能存在于栈上，而不能存在于堆上，原因主要有如下两点：

1. span包含"引用"字段（如数组的开头），这些引用被称为"内部指针"。对于 .NET 运行时的垃圾回收器，跟踪这些指针是一项成本相对高昂的操作。因此，运行时将这些引用约束为仅存在于堆栈上，因为它隐式规定了可以存在的内部指针数量下限。
2. 对 Span 执行的读取和写入操作不是原子操作。如果多个线程同时对 Span 在堆上的字段执行读取和写入操作，存在"撕裂"风险。

这个限制决定了无法将 Span 装箱，进而无法将 Span<T> 与现有反射调用 API结合使用，也无法作为泛型参数。

对于大部分同步处理功能，这个并没有太大的影响，但由于span<T>无法存储到堆，从而导致其无法在异步上下文中使用。为了解决这个问题，.net引入了一个新类型Memory<T>。

Memory和span的使用方法大同小异，

var arr   = new byte[10];
var bytes = new Memory<byte>(arr, 3, 5);

不同之处在于 Memory<T> 是不类似引用的结构，可以存在于堆上。.net bcl库对memory也做了很好的支持，如Stream.ReadAsync就能直接支持memory<byte>作为参数。

另外，也可以从Memory的Span属性创建指向该Memory的span，这样也可以使用span的强大的功能。

参考文章：

C# - Span 全面介绍：探索 .NET 新增的重要组成部分