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C#如何安全、高效地玩轉(zhuǎn)任何種類的內(nèi)存之Span的本質(zhì)

 更新時間:2021年08月25日 17:07:45   作者:justmine  
為什么要使用指針,什么時候需要使用它,以及如何安全、高效地使用它?本文將講清楚 What、How 和 Why ,讓你知其然,更知其所以然

C#如何安全、高效地玩轉(zhuǎn)任何種類的內(nèi)存之Span的本質(zhì)

一、what - 痛點是什么?

回答這個問題前,先總結一下如何用C#操作任何類型的內(nèi)存:

1、托管內(nèi)存(managed memory )

var mangedMemory = new Student();

很熟悉吧,只需使用new操作符就分配了一塊托管堆內(nèi)存,而且還不用手工釋放它,因為它是由垃圾收集器(GC)管理的,GC會智能地決定何時釋放它,這就是所謂的托管內(nèi)存。默認情況下,GC通過復制內(nèi)存的方式分代管理小對象(size < 85000 bytes),而專門為大對象(size >= 85000 bytes)開辟大對象堆(LOH),管理大對象時,并不會復制它,而是將其放入一個列表,提供較慢的分配和釋放,而且很容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

2、棧內(nèi)存(stack memory )

unsafe{
    var stackMemory = stackalloc byte[100];
}

很簡單,使用stackalloc關鍵字非常快速地就分配好了一塊棧內(nèi)存,也不用手工釋放,它會隨著當前作用域而釋放,比如方法執(zhí)行結束時,就自動釋放了。棧內(nèi)存的容量非常小( ARM、x86 和 x64 計算機,默認堆棧大小為 1 MB),當你使用棧內(nèi)存的容量大于1M時,就會報StackOverflowException 異常 ,這通常是致命的,不能被處理,而且會立即干掉整個應用程序,所以棧內(nèi)存一般用于需要小內(nèi)存,但是又不得不快速執(zhí)行的大量短操作,比如微軟使用棧內(nèi)存來快速地記錄ETW事件日志。

3、本機內(nèi)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);
}

通過調(diào)用方法Marshal.AllocHGlobal 或Marshal.AllocCoTaskMem 來分配非托管堆內(nèi)存,非托管就是垃圾回收器(GC)不可見的意思,并且還需要手工調(diào)用方法Marshal.FreeHGlobal or Marshal.FreeCoTaskMem 釋放它,千萬不能忘記,不然就內(nèi)存泄漏了。

二、拋磚引玉 - 痛點

首先我們設計一個解析完整或部分字符串為整數(shù)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); 
}

從上面可以看到,為了支持解析來自任何內(nèi)存區(qū)域的字符串,一共寫了4個重載方法。

接下來在來設計一個支持復制任何內(nèi)存塊的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);
}

腦袋蒙圈沒,以前C#操縱各種內(nèi)存就是這么復雜、麻煩。通過上面的總結如何用C#操作任何類型的內(nèi)存,相信大多數(shù)同學都能夠很好地理解這兩個類的設計,但我心里是沒底的,因為使用了不安全代碼和指針,這些操作是危險的、不可控的,根本無法獲得.net至關重要的安全保障,并且可能還會有難以預估的問題,比如堆棧溢出、內(nèi)存碎片、棧撕裂等等,微軟的工程師們早就意識到了這個痛點,所以span誕生了,它就是這個痛點的解決方案。

三、how - span如何解決這個痛點?

先來看看,如何使用span操作各種類型的內(nèi)存(偽代碼):

1、托管內(nèi)存(managed memory )

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

2、棧內(nèi)存(stack memory )

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

3、本機內(nèi)存(native memory )

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

span就像黑洞一樣,能夠吸收來自于內(nèi)存任意區(qū)域的數(shù)據(jù),實際上,現(xiàn)在,在.Net的世界里,Span就是所有類型內(nèi)存的抽象化身,表示一段連續(xù)的內(nèi)存,它的API設計和性能就像數(shù)組一樣,所以我們完全可以像使用數(shù)組一樣地操作各種內(nèi)存,真的是太方便了。

現(xiàn)在重構上面的兩個設計,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);
}

上面的方法根本不關心它操作的是哪種類型的內(nèi)存,我們可以自由地從托管內(nèi)存切換到本機代碼,再切換到堆棧上,真正的享受玩轉(zhuǎn)內(nèi)存的樂趣。

四、why - 為什么span能解決這個痛點?

1、淺析span的工作機制

先來窺視一下源碼:

 

我已經(jīng)圈出的三個字段:偏移量、索引、長度(使用過ArraySegment<byte> 的同學可能已經(jīng)大致理解到設計的精髓了),這就是它的主要設計,當我們訪問span表示的整體或部分內(nèi)存時,內(nèi)部的索引器會按照下面的算法運算指針(偽代碼):

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

整個變化的過程,如圖所示:

 

上面的動畫非常清楚了吧,舊span整合它的引用和偏移成新的span的引用,整個過程并沒有復制內(nèi)存,也沒有返回相對位置上存在的副本,而是直接返回實際存儲位置的引用,因此性能非常高,因為新span獲得并更新了引用,所以垃圾回收器(GC)知道如何處理新的span,從而獲得了.Net至關重要的安全保障,并且內(nèi)部還會自動執(zhí)行邊界檢查確保內(nèi)存安全,而這些都是span內(nèi)部默默完成的,開發(fā)人員根本不用擔心,非托管世界依然美好。
正是由于span的高性能,目前很多基礎設施都開始支持span,甚至使用span進行重構,比如:System.String.Substring方法,我們都知道此方法是非常消耗性能的,首先會創(chuàng)建一個新的字符串,然后再從原始字符串中復制字符集給它,而使用span可以實現(xiàn)Non-Allocating、Zero-coping,下面是我做的一個基準測試:

 

使用String.SubString和Span.Slice分別截取長度為10和1000的字符串的前一半,從指標Mean可以看出方法SubString的耗時隨著字符串長度呈線性增長,而Slice幾乎保持不變;從指標Allocated Memory/Op可以看出,方法Slice并沒有被分配新的內(nèi)存,實踐出真知,可以預見Span未來將會成為.Net下編寫高性能應用程序的重要積木,應用前景也會非常地廣,微服務、物聯(lián)網(wǎng)、云原生都是它發(fā)光發(fā)熱的好地方。

從技術的本質(zhì)上看,Span<T>是一種ref-like type類似引用的結構體;從應用的場景上看,它是高性能的sliceable type可切片類型;綜上所訴,Span是一種類似于數(shù)組的結構體,但具有創(chuàng)建數(shù)組一部分視圖,而無需在堆上分配新對象或復制數(shù)據(jù)的超能力。

補充:

可能會有的同學誤解了span,表面上認為只是對指針的封裝,從而繞過unsafe帶來的限制,避免開發(fā)人員直接面對指針而已,其實不是,下面我們來看一個示例:

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

// 這里不關心操作的內(nèi)存類型,即不用為一種類型寫一個重載方法,就好比上面的設計一樣。
static ulong SafeSum(Span<byte> bytes) {
ulong sum = 0;
for(int i=0; i < bytes.Length; i++) {
sum += bytes[i];
}
return sum;
}

并沒有繞過unsafe,以前該如何用,現(xiàn)在還是一樣的,span解決的是下面幾點:

  1. 高性能,避免不必要的內(nèi)存分配和復制。
  2. 高效率,它可以為任何具有無復制語義的連續(xù)內(nèi)存塊提供安全和可編輯的視圖,極大地簡化了內(nèi)存操作,即不用為每一種內(nèi)存類型操作寫一個重載方法。
  3. 內(nèi)存安全,span內(nèi)部會自動執(zhí)行邊界檢查來確保安全地讀寫內(nèi)存,但它并不管理如何釋放內(nèi)存,而且也管理不了,因為所有權不屬于它,希望大家要明白這一點。

以上就是C#如何安全、高效地玩轉(zhuǎn)任何種類的內(nèi)存之Span的本質(zhì)的詳細內(nèi)容,更多關于C#語言的資料請關注腳本之家其它相關文章!,希望大家以后多多支持腳本之家!

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