.NET高性能编程 - C#如何安全、高效地玩转任何种类的内存之Span的本质(一)。

前言

作为.net程序员，使用过指针，写过不安全代码吗？

为什么要使用指针，什么时候需要使用它，以及如何安全、高效地使用它？

如果能很好地回答这几个问题，那么就能很好地理解今天了主题了。C#构建了一个托管世界，在这个世界里，只要不写不安全代码，不操作指针，那么就能获得.Net至关重要的安全保障，即什么都不用担心；那如果我们需要操作的数据不在托管内存中，而是来自于非托管内存，比如位于本机内存或者堆栈上，该如何编写代码支持来自任意区域的内存呢？这个时候就需要写不安全代码，使用指针了；而如何安全、高效地操作任何类型的内存，一直都是C#的痛点，今天我们就来谈谈这个话题，讲清楚 What、How 和 Why ，让你知其然，更知其所以然，以后有人问你这个问题，就让他看这篇文章吧，呵呵。

what - 痛点是什么？

回答这个问题前，先总结一下如何用C#操作任何类型的内存：

托管内存（managed memory ）
```
var mangedMemory = new Student();
```
很熟悉吧，只需使用new操作符就分配了一块托管堆内存，而且还不用手工释放它，因为它是由垃圾收集器（GC）管理的，GC会智能地决定何时释放它，这就是所谓的托管内存。默认情况下，GC通过复制内存的方式分代管理小对象（size < 85000 bytes），而专门为大对象（size >= 85000 bytes）开辟大对象堆（LOH），管理大对象时，并不会复制它，而是将其放入一个列表，提供较慢的分配和释放，而且很容易产生内存碎片。
栈内存（stack memory ）
```
unsafe{
    var stackMemory = stackalloc byte[100];
}
```
很简单，使用stackalloc关键字非常快速地就分配好了一块栈内存，也不用手工释放，它会随着当前作用域而释放，比如方法执行结束时，就自动释放了。栈内存的容量非常小（ ARM、x86 和 x64 计算机，默认堆栈大小为 1 MB），当你使用栈内存的容量大于1M时，就会报StackOverflowException 异常，这通常是致命的，不能被处理，而且会立即干掉整个应用程序，所以栈内存一般用于需要小内存，但是又不得不快速执行的大量短操作，比如微软使用栈内存来快速地记录ETW事件日志。
本机内存（native memory ）
```
IntPtr nativeMemory0 = default(IntPtr), nativeMemory1 = default(IntPtr);
try
{
    unsafe
    {
        nativeMemory0 = Marshal.AllocHGlobal(256);
        nativeMemory1 = Marshal.AllocCoTaskMem(256);
    }
}
finally
{
    Marshal.FreeHGlobal(nativeMemory0);
    Marshal.FreeCoTaskMem(nativeMemory1);
}
```
通过调用方法Marshal.AllocHGlobal 或Marshal.AllocCoTaskMem 来分配非托管堆内存，非托管就是垃圾回收器（GC）不可见的意思，并且还需要手工调用方法Marshal.FreeHGlobal or Marshal.FreeCoTaskMem 释放它，千万不能忘记，不然就内存泄漏了。

抛砖引玉 - 痛点

首先我们设计一个解析完整或部分字符串为整数的API，如下：

public interface IntParser
{
    // allows us to parse the whole string.
    int Parse(string managedMemory);

    // allows us to parse part of the string.
    int Parse(string managedMemory, int startIndex, int length);

    // allows us to parse characters stored on the unmanaged heap / stack.
    unsafe int Parse(char* pointerToUnmanagedMemory, int length);

    // allows us to parse part of the characters stored on the unmanaged heap / stack.
    unsafe int Parse(char* pointerToUnmanagedMemory, int startIndex, int length); 
}

从上面可以看到，为了支持解析来自任何内存区域的字符串，一共写了4个重载方法。

接下来在来设计一个支持复制任何内存块的API，如下：

public interface MemoryblockCopier
{
    void Copy<T>(T[] source, T[] destination);
    void Copy<T>(T[] source, int sourceStartIndex, T[] destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, void* destination, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceStartIndex, void* destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceLength, T[] destination);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceStartIndex, T[] destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
}

脑袋蒙圈没，以前C#操纵各种内存就是这么复杂、麻烦。通过上面的总结如何用C#操作任何类型的内存，相信大多数同学都能够很好地理解这两个类的设计，但我心里是没底的，因为使用了不安全代码和指针，这些操作是危险的、不可控的，根本无法获得.net至关重要的安全保障，并且可能还会有难以预估的问题，比如堆栈溢出、内存碎片、栈撕裂等等，微软的工程师们早就意识到了这个痛点，所以span诞生了，它就是这个痛点的解决方案。

how - span如何解决这个痛点？

先来看看，如何使用span操作各种类型的内存（伪代码）：

托管内存（managed memory ）

var managedMemory = new byte[100];
Span<byte> span = managedMemory;

栈内存（stack memory ）

var stackedMemory = stackalloc byte[100];
var span = new Span<byte>(stackedMemory, 100);

本机内存（native memory ）

var nativeMemory = Marshal.AllocHGlobal(100);
var nativeSpan = new Span<byte>(nativeMemory.ToPointer(), 100);

span就像黑洞一样，能够吸收来自于内存任意区域的数据，实际上，现在，在.Net的世界里，Span就是所有类型内存的抽象化身，表示一段连续的内存，它的API设计和性能就像数组一样，所以我们完全可以像使用数组一样地操作各种内存，真的是太方便了。

现在重构上面的两个设计，如下：

public interface IntParser
{
    int Parse(Span<char> managedMemory);
    int Parse(Span<char>, int startIndex, int length);
}
public interface MemoryblockCopier
{
    void Copy<T>(Span<T> source, Span<T> destination); 
    void Copy<T>(Span<T> source, int sourceStartIndex, Span<T> destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
}

上面的方法根本不关心它操作的是哪种类型的内存，我们可以自由地从托管内存切换到本机代码，再切换到堆栈上，真正的享受玩转内存的乐趣。

why - 为什么span能解决这个痛点？

浅析span的工作机制

先来窥视一下源码：

我已经圈出的三个字段：偏移量、索引、长度（使用过ArraySegment<byte> 的同学可能已经大致理解到设计的精髓了），这就是它的主要设计，当我们访问span表示的整体或部分内存时，内部的索引器会按照下面的算法运算指针（伪代码）：

ref T this[int index]
{
    get => ref ((ref reference + byteOffset) + index * sizeOf(T));
}

整个变化的过程，如图所示：

上面的动画非常清楚了吧，旧span整合它的引用和偏移成新的span的引用，整个过程并没有复制内存，也没有返回相对位置上存在的副本，而是直接返回实际存储位置的引用，因此性能非常高，因为新span获得并更新了引用，所以垃圾回收器（GC）知道如何处理新的span，从而获得了.Net至关重要的安全保障，并且内部还会自动执行边界检查确保内存安全，而这些都是span内部默默完成的，开发人员根本不用担心，非托管世界依然美好。
正是由于span的高性能，目前很多基础设施都开始支持span，甚至使用span进行重构，比如：System.String.Substring方法，我们都知道此方法是非常消耗性能的，首先会创建一个新的字符串，然后再从原始字符串中复制字符集给它，而使用span可以实现Non-Allocating、Zero-coping，下面是我做的一个基准测试：

使用String.SubString和Span.Slice分别截取长度为10和1000的字符串的前一半，从指标Mean可以看出方法SubString的耗时随着字符串长度呈线性增长，而Slice几乎保持不变；从指标Allocated Memory/Op可以看出，方法Slice并没有被分配新的内存，实践出真知，可以预见Span未来将会成为.Net下编写高性能应用程序的重要积木，应用前景也会非常地广，微服务、物联网、云原生都是它发光发热的好地方。

基准测试示例

总结

从技术的本质上看，Span<T>是一种ref-like type类似引用的结构体；从应用的场景上看，它是高性能的sliceable type可切片类型；综上所诉，Span是一种类似于数组的结构体，但具有创建数组一部分视图，而无需在堆上分配新对象或复制数据的超能力。
看完本篇博客，如果理解了Span的What、Why、How，那么作者布道的目的就达到了，不懂的同学建议多读几遍，下一篇，我将会进一步畅谈Span的脾气秉性，让大家能够安全高效地使用好它。

补充

从评论区交流发现，有的同学误解了span，表面上认为只是对指针的封装，从而绕过unsafe带来的限制，避免开发人员直接面对指针而已，其实不是，下面我们来看一个示例：

var nativeMemory = Marshal.AllocHGlobal(100);
Span<byte> nativeSpan;
unsafe {
nativeSpan = new Span<byte>(nativeMemory.ToPointer(), 100);
}
SafeSum(nativeSpan);
Marshal.FreeHGlobal(nativeMemory);

// 这里不关心操作的内存类型，即不用为一种类型写一个重载方法，就好比上面的设计一样。
static ulong SafeSum(Span<byte> bytes) {
ulong sum = 0;
for(int i=0; i < bytes.Length; i++) {
sum += bytes[i];
}
return sum;
}

看到了吗，并没有绕过unsafe，以前该如何用，现在还是一样的，span解决的是下面几点：