关于 Span 的一切：探索新的 .NET 明星: 3.什么是 Memory<T>，以及为什么你需要它？

3. 什么是 Memory<T>，以及为什么你需要它？

• 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？

Span<T> 是包含 ref 字段的仿 ref 类型，并且 ref 字段可以不止于类似数组的开始位置，还可以是中间位置：

var arr = new byte[100];
Span<byte> interiorRef1 = arr.AsSpan(start: 20);
Span<byte> interiorRef2 = new Span<byte>(arr, 20, arr.Length – 20);
Span<byte> interiorRef3 =
  MemoryMarshal.CreateSpan<byte>(arr, ref arr[20], arr.Length – 20);

这些引用被称为中间指针，跟踪它们对于 .NET 运行时的垃圾回收器来说是昂贵的操作。因此，运行时限制这些 ref 只能存在于堆栈，因为它提供了隐式的可能存在的中间指针数量的低限制。

进一步说，如前所展示的那样，Span<T> 比机器的 word 类型尺寸更大，这意味着对 Span 的读、写操作不是原子操作。如果多个线程同时读、写同一个堆中的 Span 的字段，就会带来欲哭无泪的风险。想象一下一个已经初始化的 Span 包含一个有效的引用和一个相关的值为 50 的 _length 字段。一个线程开始在其上写新的 Span，并得到一个新的 _pointer 值。然后，在它设置相关的 _length 为 20 之前，第二个线程读取该 Span，它现在包含新的 _pointer 但是包含了旧的 _length 值。

因此，Span<T> 实例只能在堆栈上存活，而不是堆上。这意味着你不能装箱 Span ( 因此对 Span<T> 使用反射 API，因为这要求装箱操作 )。这意味着你不能在类中定义 Span<T> 字段，甚至是非仿 ref 结构中。它意味着你不能在它们可能隐式成为类中字段的地方使用 Span，例如被捕获到 Lambda 或者在 async 方法中的本地变量，或者迭代器 ( 因为这些 locals 可能最终变成编译器生成的状态机字段 )。这也意味着你不能使用 Span<T> 作为范型参数，因为该类型的实例参数可能最终被装箱，或者存储在堆上 ( 这也是当前没有 where T: ref struct 约束存在的原因 )。

这些限制对很多场景并不重要，特别是在计算密集和同步处理的函数中。但是异步函数就是另外一回事了。在本文开始引用的多数问题是围绕数组来的，数组切片、原生内存等等不管是同步还是异步都存在。然而，如果 Span<T> 不能存储在堆中，也就不能跨异步操作被持久化，答案是什么呢？Memory<T>。

Memory<T> 看起来非常像 ArraySegment<T>:

public readonly struct Memory<T>
{
  private readonly object _object;
  private readonly int _index;
  private readonly int _length;
  ...
}

你可以通过数组来创建 Memory<T>，并像在 Span 中一样进行切片，但是它是非仿 ref 结构，可以保存到堆中。而且，当你希望进行同步操作的时候，你可以通过它获得一个 Span<T>，例如：

static async Task<int> ChecksumReadAsync(Memory<byte> buffer, Stream stream)
{
  int bytesRead = await stream.ReadAsync(buffer);
  return Checksum(buffer.Span.Slice(0, bytesRead));
  // Or buffer.Slice(0, bytesRead).Span
}
static int Checksum(Span<byte> buffer) { ... }

与 Span<T> 和 ReadOnlySpan<T> 一样，Memory<T> 也有一个只读的等价物：ReadOnlyMemory<T>。如你所愿，它的 Span 属性返回一个 ReadOnlySpan<T>。图 1 提供了在它们之间进行转换的内建支持的总结。

图 1 在 Span 相关的类型之间进行不分配内存/不复制的转换

来源	目标	机制
ArraySegment	Memory	Implicit cast, AsMemory method
ArraySegment	ReadOnlyMemory	Implicit cast, AsMemory method
ArraySegment	ReadOnlySpan	Implicit cast, AsSpan method
ArraySegment	Span	Implicit cast, AsSpan method
ArraySegment	T[]	Array property
Memory	ArraySegment	MemoryMarshal.TryGetArray method
Memory	ReadOnlyMemory	Implicit cast, AsMemory method
Memory	Span	Span property
ReadOnlyMemory	ArraySegment	MemoryMarshal.TryGetArray method
ReadOnlyMemory	ReadOnlySpan	Span property
ReadOnlySpan	ref readonly T	Indexer get accessor, marshaling methods
Span	ReadOnlySpan	Implicit cast, AsSpan method
Span	ref T	Indexer get accessor, marshaling methods
String	ReadOnlyMemory	AsMemory method
String	ReadOnlySpan	Implicit cast, AsSpan method
T[]	ArraySegment	Ctor, Implicit cast
T[]	Memory	Ctor, Implicit cast, AsMemory method
T[]	ReadOnlyMemory	Ctor, Implicit cast, AsMemory method
T[]	ReadOnlySpan	Ctor, Implicit cast, AsSpan method
T[]	Span	Ctor, Implicit cast, AsSpan method
void*	ReadOnlySpan	Ctor
void*	Span	Ctor

你会注意到，Memory<T> 的 _object 字段不是强类型的 T[]; 而是存储了一个对象。这说明了 Memory<T> 可以封装数组之外的数据，例如 System.Buffers.OwnedMemory<T>。OwnedMemory<T> 是一个抽象类，可以用来封装需要拥有自己的生命周期管理的数据，例如从池中获得的内存。这是比本文更为高级的话题，但是它展示了如何使用 Memory<T>，例如，将指针封装到原生内存中。ReadOnlyMemory<char> 也可以用于字符串，如同 ReadOnlySpan<char> 一样。