关于 Span 的一切：探索新的 .NET 明星：5. .NET 运行时的处理

.5. NET 运行时会怎么样？

• 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？

.NET 运行时提供的安全保证之一是确保访问数组的下标不会越界，实践中被称为边界检查，考虑如下方法：

[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
static int Return4th(int[] data) => data[3];

在我撰写本文的 x64 机器上，生成的汇编代码如下所示：

sub      rsp, 40
       cmp      dword ptr [rcx+8], 3
       jbe      SHORT G_M22714_IG04
       mov      eax, dword ptr [rcx+28]
       add      rsp, 40
       ret
G_M22714_IG04:
       call     CORINFO_HELP_RNGCHKFAIL
       int3

cmp 指令比较下标 3 与数组的长度，如果下标 3 越界，随后的 jbe 指令跳转到检查失败代码 ( 抛出异常 )。JIT 需要生成代码来确保此类访问不会导致下标越界，但是这不意味着每次独立的数组访问都需要边界检查。考入下面的 Sum 方法：

static int Sum(int[] data)
{
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i < data.Length; i++) sum += data[i];
  return sum;
}

JIT 需要生成确保访问 data[i] 的代码不会下标越界，但是因为可以告诉 JIT，从循环结构 i 永远不会越界 ( 循环从头到尾遍历每个元素 )，JIT 可以优化掉对数组访问的边界检查。这样，生成的汇编代码如下所示：

G_M33811_IG03:
       movsxd   r9, edx
       add      eax, dword ptr [rcx+4*r9+16]
       inc      edx
       cmp      r8d, edx
       jg       SHORT G_M33811_IG03

cmp 指令还在循环中，但是只是简单地比较下标 i 和数组的长度 ( 它保存在 r8d 寄存器中 )，没有了其它的边界检查。

运行时使用类似对 Span ( 包括 Span<T> 和 ReadOnlySpan<T> ) 的优化。对比上一示例的如下代码，这里仅仅变更了参数类型：

static int Sum(Span<int> data)
{
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i < data.Length; i++) sum += data[i];
  return sum;
}

上述代码生成的汇编代码几乎相同。

G_M33812_IG03:
       movsxd   r9, r8d
       add      ecx, dword ptr [rax+4*r9]
       inc      r8d
       cmp      r8d, edx
       jl       SHORT G_M33812_IG03

汇编代码非常类似，因为省去了边界检查。但是因为 JIT 识别到 Span 原生的索引器，意味着 JIT 对索引器生成特定的代码，而不是转换实际代码到汇编中。

所有这些说明了，对于运行时可以使用 Span 对数组相同类型的优化，使得 Span 成为访问数据的高效机制。更深入内容请参见：bit.ly/2zywvyI。