`Span<T>` 是 .NET Core 2.1 引入的一個新類型，它提供任意內(nèi)存的連續(xù)區(qū)域的類型安全和內(nèi)存安全表示形式。`Span<T>` 可以與任意的值類型或引用類型進行關聯(lián)，包括原始內(nèi)存指針、數(shù)組、堆上對象等。通過 `Span<T>`，我們可以對這些數(shù)據(jù)結構進行高效的讀取和寫入操作，而無需進行拷貝或者分配額外的內(nèi)存。

在 .NET 中，許多常見的數(shù)據(jù)類型，如 `string`、`array` 等，都是引用類型，它們本身并不包含實際的數(shù)據(jù)，而是在堆上分配了一塊內(nèi)存來存儲數(shù)據(jù)，然后將其地址傳遞給變量。這種設計在很多情況下非常方便，但也會帶來一些性能上的問題，比如頻繁的內(nèi)存分配和釋放、GC 壓力等。`Span<T>` 的出現(xiàn)為解決這些問題提供了一種新的方式。

使用 `Span<T>`，我們可以盡可能地避免進行內(nèi)存分配和復制，從而提高代碼的運行效率。同時，由于 `Span<T>` 只是一個“視圖”，它并不會改變原始數(shù)據(jù)的內(nèi)容或生命周期，因此也非常安全可靠。在 .NET Core 中，許多常見的 API（如網(wǎng)絡、IO、序列化等）都已經(jīng)開始支持 `Span<T>`，這為我們編寫高性能、低延遲的代碼提供了更多的可能性。

Span是如何實現(xiàn)的？

通常不需要了解他們正在使用的庫是如何實現(xiàn)的。但是，就 Span<T> 而言，至少對其背后的細節(jié)有一個基本的了解是值得的，因為這些細節(jié)暗示了其性能和使用限制。

首先，Span<T> 是一個包含 ref 和長度的值類型，定義大致如下：

public readonly ref struct Span<T>
{
  private readonly ref T _pointer;
  private readonly int _length;
  ...
}

引用 T 字段的概念一開始可能很奇怪，事實上，實際上無法在 C# 甚至 MSIL 中聲明引用 T 字段。但 Span<T> 實際上是為在運行時中使用一種特殊的內(nèi)部類型而編寫的，該類型被視為實時 （JIT） 內(nèi)部類型，JIT 為其生成等效的 ref T 字段。考慮一個可能更熟悉的 ref 用法：

public static void AddOne(ref int value) => value += 1;
...
var values = new int[] { 42, 84, 126 };
AddOne(ref values[2]);
Assert.Equal(127, values[2]);

此代碼通過引用傳遞數(shù)組中的插槽，這樣（撇開優(yōu)化不談）堆棧上有一個 ref T。Span<T> 中的 ref T 是相同的想法，只是封裝在一個結構中。直接或間接包含此類 ref 的類型稱為類似 ref 的類型，C# 7.2 編譯器允許通過在簽名中使用 ref 結構來聲明此類類似 ref 的類型。

從這個簡短的描述中，應該清楚兩件事：

• Span<T> 的定義方式使操作可以像數(shù)組一樣高效：索引到 span 中不需要計算來確定指針的起點及其起始偏移量，因為 ref 字段本身已經(jīng)封裝了兩者。（相比之下，ArraySegment<T> 具有單獨的偏移字段，因此索引和傳遞的成本更高。
• Span<T> 作為類似 ref 類型的性質(zhì)，由于其 ref T 字段而帶來了一些約束。

Span使用注意：

Span<T> 是在堆棧而不是托管堆上分配的 ref 結構 。 Ref 結構類型有許多限制，以確保它們不能提升到托管堆，包括不能裝箱、不能分配給 類型的Objectdynamic變量或任何接口類型，它們不能是引用類型中的字段，也不能跨 await 和 yield 邊界使用。 此外，對和 兩個NotSupportedException方法的 Equals(Object)GetHashCode調(diào)用會引發(fā) 。

因為它是僅堆棧類型， Span<T> 不適用于許多需要存儲對堆上的緩沖區(qū)的引用的方案。 例如，進行異步方法調(diào)用的例程也是如此。 對于此類方案，可以使用互補 System.Memory<T> 和 System.ReadOnlyMemory<T> 類型。

Span的應用場景

Span<T> 可以看作是一個指向連續(xù)內(nèi)存塊的引用，它可以用于訪問數(shù)組、堆棧、堆等數(shù)據(jù)結構中的連續(xù)元素。Span<T> 對象本身不會分配或釋放任何內(nèi)存，因此它非常適用于內(nèi)存密集型的應用場景，例如網(wǎng)絡編程、高性能計算等。

以下是一些 Span<T> 的常見應用場景：

• 數(shù)組操作：Span<T> 可以用于訪問和操作數(shù)組中的元素，包括讀取、修改、排序等操作。與傳統(tǒng)的數(shù)組訪問方式相比，Span<T> 更加靈活和高效，可以有效地減少內(nèi)存分配和拷貝的開銷。
• 文件操作：Span<T> 可以用于讀取和寫入文件中的二進制數(shù)據(jù)。通過使用 MemoryMappedFile 和 Span<T>，可以實現(xiàn)高效的文件讀寫操作，并且避免了不必要的內(nèi)存分配和拷貝。
• 網(wǎng)絡編程：Span<T> 可以用于訪問網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中的二進制數(shù)據(jù)，例如解析 TCP/IP 數(shù)據(jù)包、HTTP 請求等。通過使用 Span<T>，可以避免數(shù)據(jù)拷貝和內(nèi)存分配的開銷，從而提高網(wǎng)絡編程的性能和效率。
• 高性能計算：Span<T> 可以用于訪問和操作大型數(shù)組或矩陣中的元素。通過使用 Span<T>，可以避免不必要的內(nèi)存分配和拷貝，提高計算速度和效率。

如何使用Span

在 .NET 中，可以通過以下幾種方式來創(chuàng)建 Span<T> 對象：

直接使用原始內(nèi)存指針

unsafe
{
    int[] array = { 1, 2, 3, 4 };
    fixed (int* ptr = array)
    {
        Span<int> span = new Span<int>(ptr, array.Length);
        // 對 span 進行操作
    }
}

在這個例子中，我們首先通過 fixed 關鍵字將 array 數(shù)組的地址固定下來，然后使用 new Span<int>(ptr, array.Length) 構造函數(shù)創(chuàng)建一個 Span<int> 對象，該對象引用了整個 array 數(shù)組。

使用數(shù)組

int[] array = { 1, 2, 3, 4 };
Span<int> span = new Span<int>(array);
// 對 span 進行操作

在這個例子中，我們直接使用 array 數(shù)組創(chuàng)建了一個 Span<int> 對象，該對象引用了整個數(shù)組。

使用數(shù)組的一部分

int[] array = { 1, 2, 3, 4 };
Span<int> span = new Span<int>(array, 1, 2);
// 對 span 進行操作

在這個例子中，我們使用 new Span<int>(array, 1, 2) 構造函數(shù)創(chuàng)建了一個 Span<int> 對象，該對象引用了 array 數(shù)組的第二個元素和第三個元素。

使用字符串

string str = "hello world";
Span<char> span = str.AsSpan();
// 對 span 進行操作

在這個例子中，我們使用 AsSpan 方法將一個字符串轉(zhuǎn)換為 Span<char> 對象，該對象引用了字符串的所有字符。

除了上述方式外，還可以使用 Memory<T> 或者 ReadOnlyMemory<T> 類型來創(chuàng)建 Span<T> 對象。Memory<T> 表示一個可變的內(nèi)存區(qū)域，而 ReadOnlyMemory<T> 表示一個不可變的內(nèi)存區(qū)域，它們都可以用來創(chuàng)建 Span<T> 對象。例如：

int[] array = { 1, 2, 3, 4 };
Memory<int> memory = new Memory<int>(array);
Span<int> span = memory.Span;
// 對 span 進行操作

在這個例子中，我們首先使用 new Memory<int>(array) 構造函數(shù)創(chuàng)建了一個 Memory<int> 對象，然后使用 Span 屬性獲取了其對應的 Span<int> 對象。

使用 Span<T> 可以避免數(shù)據(jù)拷貝和內(nèi)存分配的開銷，從而提高網(wǎng)絡編程的性能和效率。一般情況下，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的二進制數(shù)據(jù)往往是連續(xù)存儲在內(nèi)存中的，Span<T> 可以直接引用該內(nèi)存塊，而不需要進行額外的拷貝操作。

Span在網(wǎng)絡編程中的應用

使用 Span<T> 解析網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的一般步驟：

• 從網(wǎng)絡中接收到數(shù)據(jù)：使用網(wǎng)絡編程庫（如Socket）接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在一個字節(jié)數(shù)組或內(nèi)存緩沖區(qū)中。
• 創(chuàng)建 Span<T> 對象：通過將字節(jié)數(shù)組或內(nèi)存緩沖區(qū)傳遞給 Span<T> 的構造函數(shù)，創(chuàng)建一個 Span<T> 對象。例如：`Span<byte> dataSpan = new Span<byte>(dataBuffer);`
• 解析數(shù)據(jù)：利用 Span<T> 的索引和切片功能，可以方便地訪問和解析二進制數(shù)據(jù)。可以通過索引獲取特定位置的字節(jié)，也可以使用切片操作獲取指定范圍的字節(jié)。例如：`byte firstByte = dataSpan[0];` 或 `Span<byte> headerSpan = dataSpan.Slice(0, headerLength);`
• 處理數(shù)據(jù)：根據(jù)具體的網(wǎng)絡協(xié)議，對二進制數(shù)據(jù)進行解析和處理，提取需要的信息。可以使用 Span<T> 提供的方法或自定義的處理邏輯進行操作。

Span和網(wǎng)絡編程的結合

`Span<T>` 在網(wǎng)絡編程中可以提供高性能的內(nèi)存訪問和數(shù)據(jù)處理，從而提升網(wǎng)絡應用程序的效率。下面是幾個使用 `Span<T>` 進行網(wǎng)絡編程的常見場景：

數(shù)據(jù)接收和解析：使用 `Socket` 接收到的字節(jié)數(shù)據(jù)可以直接轉(zhuǎn)換為 `Span<byte>`，避免了額外的內(nèi)存拷貝操作。然后，可以使用 `Span<T>` 提供的方法對數(shù)據(jù)進行解析，例如檢查數(shù)據(jù)包的長度、提取字段值等。

byte[] buffer = new byte[1024];

int bytesRead = socket.Receive(buffer); // 從 Socket 接收數(shù)據(jù)

Span<byte> data = buffer.AsSpan(0, bytesRead);

// 解析數(shù)據(jù)包...`

數(shù)據(jù)發(fā)送：使用 `Span<T>` 可以直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡中，而無需將數(shù)據(jù)復制到新的緩沖區(qū)中。這樣可以避免內(nèi)存拷貝的開銷，提高發(fā)送數(shù)據(jù)的效率。

byte[] data = GetPacketData(); // 獲取待發(fā)送的數(shù)據(jù)

socket.Send(data.AsSpan()); // 直接發(fā)送數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換：在網(wǎng)絡通信中，涉及到各種數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和處理操作。使用 `Span<T>` 可以方便地對字節(jié)數(shù)據(jù)進行解析、轉(zhuǎn)換和修改。

byte[] receivedData = ReceiveDataFromSocket(); // 從 Socket 接收數(shù)據(jù)

// 將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串

string message = Encoding.UTF8.GetString(receivedData.AsSpan());

// 修改數(shù)據(jù)并發(fā)送回去

receivedData.AsSpan().Reverse(); // 反轉(zhuǎn)字節(jié)順序

SendDataToSocket(receivedData);`

緩沖區(qū)池化：在高并發(fā)的網(wǎng)絡應用程序中，使用緩沖區(qū)池化技術可以避免頻繁的內(nèi)存分配和釋放操作，提高性能。`Span<T>` 可以與緩沖區(qū)池化技術相結合，共享和重用緩沖區(qū)，減少內(nèi)存開銷。

ArrayPool<byte> bufferPool = ArrayPool<byte>.Shared;

byte[] buffer = bufferPool.Rent(1024); // 從緩沖區(qū)池中租借一個緩沖區(qū)

int bytesRead = socket.Receive(buffer); // 從 Socket 接收數(shù)據(jù)

Span<byte> data = buffer.AsSpan(0, bytesRead);

// 處理接收到的數(shù)據(jù)...

bufferPool.Return(buffer); // 將緩沖區(qū)歸還給緩沖區(qū)池`

通過合理地利用 `Span<T>` 的特性和方法，我們可以在網(wǎng)絡編程中實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理和傳輸，提升網(wǎng)絡應用程序的性能和可伸縮性。但需要注意的是，使用 `Span<T>` 時要小心懸掛指針和內(nèi)存安全問題，確保操作的內(nèi)存是有效的并且不會被修改。

使用Socket和Span結合示例

使用 Socket 和 Span<T> 進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包解析是一種高效、低內(nèi)存消耗的方式。下面是一個簡單的示例，演示如何使用這兩個類型進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包解析：

// 假設已經(jīng)建立了一個 TCP 連接，并且從 Socket 接收到了一段字節(jié)數(shù)據(jù)

byte[] buffer = new byte[1024]; // 接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)
int bytesRead = socket.Receive(buffer); // 從 Socket 接收數(shù)據(jù)

Span<byte> data = buffer.AsSpan(0, bytesRead); // 將接收到的字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 Span<byte>

// 解析數(shù)據(jù)包
while (data.Length > 0)
{
    // 檢查數(shù)據(jù)包的長度是否足夠
    if (data.Length < sizeof(int))
    {
        // 數(shù)據(jù)不完整，等待下一次接收
        break;
    }

    // 讀取數(shù)據(jù)包的長度
    int packetLength = BitConverter.ToInt32(data);
    
    // 檢查數(shù)據(jù)包是否完整
    if (data.Length < packetLength + sizeof(int))
    {
        // 數(shù)據(jù)不完整，等待下一次接收
        break;
    }
    
    // 提取數(shù)據(jù)包內(nèi)容
    Span<byte> packetData = data.Slice(sizeof(int), packetLength);

    // 處理數(shù)據(jù)包
    ProcessPacket(packetData);

    // 調(diào)整指針，繼續(xù)處理剩余數(shù)據(jù)
    data = data.Slice(sizeof(int) + packetLength);
}

在上面的示例中，我們首先從 Socket 接收數(shù)據(jù)，并將接收到的字節(jié)數(shù)據(jù)存儲在一個字節(jié)數(shù)組中。然后，我們使用 AsSpan 方法將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為 Span<byte>，以便進行高效的數(shù)據(jù)包解析。

接下來，我們使用一個循環(huán)來處理數(shù)據(jù)包。在每次循環(huán)中，我們首先檢查是否有足夠的數(shù)據(jù)來讀取數(shù)據(jù)包的長度。如果數(shù)據(jù)不完整，我們等待下一次接收。如果有足夠的數(shù)據(jù)，我們讀取數(shù)據(jù)包的長度，并檢查是否有足夠的數(shù)據(jù)來完整解析數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)不完整，我們等待下一次接收。

一旦我們獲得了完整的數(shù)據(jù)包，我們可以使用 Slice 方法提取數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，并進行相應的處理操作（例如解析數(shù)據(jù)、驗證數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等）。

通過使用 Span<T> 和適當?shù)难h(huán)邏輯，我們可以高效地解析網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，減少內(nèi)存拷貝和數(shù)據(jù)處理的開銷，從而提高網(wǎng)絡應用程序的性能和效率。