以提高 C# 代碼中 Collections 和 Arrays 的性能和內(nèi)存使用率（您還記得 String 是一個(gè)字符數(shù)組，加載方式略有不同，但無(wú)論如何）。我終于設(shè)法找到了一些時(shí)間來(lái)更深入地研究 System.Span。

我整理了本指南來(lái)分享我所學(xué)到的知識(shí)。它充滿(mǎn)了實(shí)用的技巧和示例，可幫助您在自己的項(xiàng)目中利用 Span。如果您想優(yōu)化 C# 代碼，本指南是一個(gè)很好的起點(diǎn)！

那么，您想讓 C# 代碼運(yùn)行得更快并更有效地使用內(nèi)存嗎？認(rèn)識(shí) Spans：一款方便的工具，可簡(jiǎn)化內(nèi)存塊的處理并幫助您的應(yīng)用程序獲得更好的性能。讓我們深入了解 Span 的工作原理，探索實(shí)際示例，了解它們的區(qū)別，并了解如何將它們用于 JSON 解析，以及將集合與 Span 相互轉(zhuǎn)換。

什么是 Span？

在 C# 中，是表示內(nèi)存的連續(xù)區(qū)域的結(jié)構(gòu)。它們?cè)试S您處理數(shù)據(jù)切片，而不會(huì)產(chǎn)生額外內(nèi)存分配的開(kāi)銷(xiāo)。Span<T>ReadOnlySpan<T>

• Span<T>：允許對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作。

• ReadOnlySpan<T>：用于只讀操作，確保數(shù)據(jù)無(wú)法修改。

Span 對(duì)于性能關(guān)鍵型方案特別有用，因?yàn)樗鼈冎С种苯釉L問(wèn)數(shù)據(jù)和高效使用內(nèi)存。

為什么應(yīng)該關(guān)心 Span？

1. 更快的性能：Span 有助于減少內(nèi)存分配和垃圾回收壓力。它們?cè)试S您直接有效地處理數(shù)據(jù)。

2. 更安全的代碼：Span 可防止緩沖區(qū)溢出等常見(jiàn)錯(cuò)誤，并提供邊界檢查。

3. 多功能性：它們適用于其他內(nèi)存區(qū)域的數(shù)組、字符串和切片，使其適用于各種數(shù)據(jù)處理場(chǎng)景。

Span 是如何實(shí)現(xiàn)的

在后臺(tái)，Span 被設(shè)計(jì)為輕量級(jí)和快速：

• 堆棧分配：跨度通常在堆棧上分配，這樣速度更快并避免堆分配。

• 內(nèi)存安全：它們確保對(duì)內(nèi)存的安全訪問(wèn)，并內(nèi)置邊界檢查以防止越界錯(cuò)誤。

• 無(wú)堆開(kāi)銷(xiāo)：與數(shù)組不同，Span 不會(huì)創(chuàng)建額外的堆分配，從而減少內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)并提高性能。

和 之間的差異Span<T>ReadOnlySpan<T>

雖然兩者 和 處理連續(xù)內(nèi)存，但它們的用法和功能不同：Span<T>ReadOnlySpan<T>

Span<T>:

• 可變：您可以修改 .Span<T>

• 示例：更改數(shù)組或緩沖區(qū)中的元素。

int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> span = new Span<int>(numbers);
span[0] = 10; // Modifies the original array
Console.WriteLine(numbers[0]); // Outputs 10

ReadOnlySpan<T>:

• Immutable：您無(wú)法修改 .ReadOnlySpan<T>

• 示例：從字符串或數(shù)組中讀取值而不更改它們。

string text = "Hello, World!";
ReadOnlySpan<char> readOnlySpan = text.AsSpan();
// readOnlySpan[0] = 'h'; // This line would cause a compilation error
Console.WriteLine(readOnlySpan.ToString()); // Outputs "Hello, World!"

集合到 Span 的轉(zhuǎn)換

Span 旨在與數(shù)組等集合無(wú)縫協(xié)作，從而可以輕松地在集合和 Span 之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

從array到 Span：

int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> spanFromArray = new Span<int>(numbers);

從 span 到 array：

Span<int> span = stackalloc int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
int[] arrayFromSpan = span.ToArray();

從 String 到 ReadOnlySpan：

string text = "Hello, World!";
ReadOnlySpan<char> spanFromString = text.AsSpan();

從 ReadOnlySpan 到 String：

ReadOnlySpan<char> span = "Hello, World!".AsSpan();
string strFromSpan = span.ToString(); // Note: Converts to a new string

集合轉(zhuǎn)換的實(shí)際示例

示例：使用數(shù)組和 Span

int[] array = { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> span = array;
span[0] = 10; // Modifies the original array
Console.WriteLine(string.Join(", ", array)); // Outputs: 10, 2, 3, 4, 5

示例：將 Span 轉(zhuǎn)換為數(shù)組

Span<int> span = stackalloc int[] { 10, 20, 30 };
int[] array = span.ToArray();
Console.WriteLine(string.Join(", ", array)); // Outputs: 10, 20, 30

示例：使用 ReadOnlySpan 提取子字符串

string text = "Hello, World!";
ReadOnlySpan<char> span = text.AsSpan();
ReadOnlySpan<char> helloSpan = span.Slice(0, 5);
Console.WriteLine(helloSpan.ToString()); // Outputs: Hello

實(shí)際示例：使用 Span 編寫(xiě)自己的 JSON 解析器

Span 對(duì)于有效處理字符串?dāng)?shù)據(jù)特別有用。所以現(xiàn)在讓我們嘗試編寫(xiě)我們自己的 JSON 解析器，它可以在不創(chuàng)建不必要的中間字符串的情況下工作。

簡(jiǎn)單的 JSON 解析器

public void ParseJson(ReadOnlySpan<char> jsonData)
{
    // Find the start of the value for a specific key
    ReadOnlySpan<char> key = "name";
    int keyStart = jsonData.IndexOf(key);
    
    if (keyStart == -1)
    {
        Console.WriteLine("Key not found");
        return;
    }
    
    // Move past the key and find the colon
    int valueStart = jsonData.Slice(keyStart + key.Length).IndexOf(':') + keyStart + key.Length + 1;
    int valueEnd = jsonData.Slice(valueStart).IndexOf(',');
    
    if (valueEnd == -1) // If no comma, this is the last value
    {
        valueEnd = jsonData.Slice(valueStart).IndexOf('}');
    }
    
    // Extract and print the value
    ReadOnlySpan<char> value = jsonData.Slice(valueStart, valueEnd);
    Console.WriteLine(value.ToString().Trim('"')); // Remove quotes
}

解析器非常適合原子數(shù)據(jù)類(lèi)型，但不支持 Array 或內(nèi)部 Object 等復(fù)雜類(lèi)型。

因此，讓我們添加一個(gè)基于 Span 的 Array 解析器：

public void ProcessJsonArray(ReadOnlySpan<char> jsonArray)
{
    int currentIndex = 0;
    
    while (currentIndex < jsonArray.Length)
    {
        int start = jsonArray.Slice(currentIndex).IndexOf('{');
        if (start == -1) break; // No more objects

        int end = jsonArray.Slice(currentIndex).IndexOf('}');
        if (end == -1) break; // Incomplete object
        
        ReadOnlySpan<char> jsonObject = jsonArray.Slice(currentIndex + start, end - start + 1);
        ProcessJsonObject(jsonObject);
        
        currentIndex += end + 1; // Move past the current object
    }
}

并添加嵌套對(duì)象支持：

private void ProcessJsonObject(ReadOnlySpan<char> jsonObject)
{
    // Simple key-value extraction, assuming keys and values are properly formatted
    int colonIndex = jsonObject.IndexOf(':');
    ReadOnlySpan<char> key = jsonObject.Slice(1, colonIndex - 2); // Skipping surrounding quotes
    ReadOnlySpan<char> value = jsonObject.Slice(colonIndex + 1).Trim(); // Extract value and trim
    
    Console.WriteLine($"Key: {key.ToString()}, Value: {value.ToString()}");
}

將所有內(nèi)容放在一起：解析 JSON 數(shù)據(jù)

以下是結(jié)合使用上述所有函數(shù)來(lái)解析完整 JSON 字符串的方法：

public void ParseJson(ReadOnlySpan<char> jsonData)
{
    int start = 0;
    while (start < jsonData.Length)
    {
        int objectStart = jsonData.Slice(start).IndexOf('{');
        if (objectStart == -1) break;

        int objectEnd = jsonData.Slice(start).IndexOf('}');
        if (objectEnd == -1) break;

        ReadOnlySpan<char> jsonObject = jsonData.Slice(start + objectStart, objectEnd - objectStart + 1);
        ProcessJsonObject(jsonObject);

        start += objectEnd + 1;
    }
}

干的好！現(xiàn)在我們有了自己的內(nèi)存有效型 JSON 解析器實(shí)現(xiàn)，終于可以忘記這些 Newtonsoft.Json nuget 包更新問(wèn)題了......可能最近 3 到 4 年都沒(méi)有面對(duì)它，因?yàn)?Microsoft 編寫(xiě)了自己的實(shí)現(xiàn)，但如果你面對(duì) - 現(xiàn)在你知道該怎么做了！

需要注意的事項(xiàng)

• 范圍：Span 是堆棧分配的，應(yīng)在創(chuàng)建它們的方法中使用。

• 固定：在處理非托管內(nèi)存時(shí)，請(qǐng)謹(jǐn)慎使用固定，因?yàn)樗赡軙?huì)影響垃圾回收。

• 兼容性：確保您的開(kāi)發(fā)環(huán)境支持 Span，尤其是對(duì)于較舊的框架。

Span 是 C# 中的一項(xiàng)強(qiáng)大功能，可以幫助您高效安全地管理內(nèi)存。通過(guò)了解 和 之間的差異，以及如何在集合和 span 之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，您可以編寫(xiě)更高效、更簡(jiǎn)潔的代碼。將 Span 用于任務(wù)Span<T>ReadOnlySpan<T>