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在 C# 中使用 Span<T> 和 Memory<T> 編寫高性能代碼的詳細(xì)步驟

 更新時(shí)間:2022年08月22日 08:50:12   作者:癡者工良  
在本文中,將會(huì)介紹 C# 7.2 中引入的新類型:Span 和 Memory,文章深入研究?Span<T>?和?Memory<T>?,并演示如何在 C# 中使用它們,需要的朋友可以參考下

本文采用半譯方式。

在本文中,將會(huì)介紹 C# 7.2 中引入的新類型:Span 和 Memory,文章深入研究 Span<T> 和 Memory<T> ,并演示如何在 C# 中使用它們。

本文所有代碼用例在 .NET 6.0 下運(yùn)行。

.NET 中支持的內(nèi)存類型

.NET 中,開發(fā)者能夠使用的三種內(nèi)存類型,分別是:

  • Stack memory 堆棧內(nèi)存: 駐留在堆棧中,并使用stackalloc 關(guān)鍵詞分配;
  • Managed memory 托管內(nèi)存: 駐留在堆中并由 GC 管理;
  • Unmanaged memory 非托管內(nèi)存: 駐留在非托管堆中,并通過調(diào)用 Marshal.AllocHGlobal or 或者Marshal.AllocCoTaskMem 方法 分配;

.NET Core 2.1 中新增的類型

.NET Core 2.1 中新引入的類型包括:

  • System.Span: 這以類型安全和內(nèi)存安全的方式表示任意內(nèi)存的連續(xù)部分;

  • System.ReadOnlySpan: 這表示任意連續(xù)內(nèi)存區(qū)域的類型安全和內(nèi)存安全只讀表示形式;

  • **System.Memory: ** 這表示一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域;

  • System.ReadOnlyMemory: 類似ReadOnlySpan, 此類型表示內(nèi)存的連續(xù)部分ReadOnlySpan, 它不是 ByRef 類型;

    譯者注:ByRef 類型指的是 ref readonly struct。

訪問連續(xù)內(nèi)存: Span 和 Memory

開發(fā)者可能經(jīng)常需要在應(yīng)用程序中處理大量數(shù)據(jù),例如字符串處理在任何應(yīng)用程序中都是至關(guān)重要的,因此開發(fā)者必須遵循推薦的實(shí)踐以避免不必要的分配。開發(fā)者可以使用不安全的代碼塊和指針直接操作內(nèi)存,但是這種方法有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn),指針操作容易出現(xiàn)錯(cuò)誤,如溢出、空指針訪問、緩沖區(qū)溢出和懸空指針。如果 bug 只影響堆棧或靜態(tài)內(nèi)存區(qū)域,那么它將是無害的,但是如果它影響關(guān)鍵的系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)域,則可能導(dǎo)致應(yīng)用程序崩潰。

因此,出現(xiàn)了 Span<T> 和 Memory<T> ,能夠以安全的方式使用指針訪問內(nèi)存。

Span<T> 和 Memory<T> 是 .NET 新引入的類型(都是 struct),它們提供了一種類型安全的方法來訪問任意內(nèi)存的連續(xù)區(qū)域。Span<T> 和 Memory<T> 都是 System 命名空間的一部分,表示連續(xù)的內(nèi)存塊,沒有任何復(fù)制語(yǔ)義。

C# 新版本添加了 Span<T> 、 Memory<T> 、 ReadOnlySpan 和 ReadOnlyMemory 類型 ,它們可以幫助開發(fā)者在安全和性能方面直接使用內(nèi)存。

這些新類型在 System.Memory 命名空間中,適用于需要處理大量數(shù)據(jù)或希望避免不必要的內(nèi)存分配(例如在使用緩沖區(qū)時(shí))的高性能場(chǎng)景。與在 GC 堆上分配內(nèi)存的數(shù)組類型不同,這些新類型提供了對(duì)任意托管或本機(jī)內(nèi)存的連續(xù)區(qū)域的抽象,而不需要在 GC 堆上分配內(nèi)存。

譯者注:因?yàn)樗鼈兌际?struct,會(huì)被分配到棧中。

Span<T> 和 Memory<T> 結(jié)構(gòu)體為數(shù)組、字符串或任何連續(xù)的托管或非托管內(nèi)存塊提供低級(jí)接口,它們的主要功能是促進(jìn)微優(yōu)化和編寫低分配代碼,以減少托管內(nèi)存分配,從而減少垃圾收集器的負(fù)擔(dān)。它們還允許切片或處理數(shù)組、字符串或內(nèi)存塊的某個(gè)部分,而無需復(fù)制原始內(nèi)存塊。Span<T> 和 Memory<T> 在高性能領(lǐng)域非常有用,例如 ASP.NET Core 6 request-processing 管道。

Span 介紹

Span<T> (早期稱為 Slice) 出現(xiàn)于 C# 7.2/NET Core 2.1,創(chuàng)建它的開銷幾乎為零,它提供了一種使用連續(xù)內(nèi)存塊的類型安全方法,例如:

  • Arrays and subarrays 數(shù)組和子數(shù)組
  • Strings and substrings 字符串和子字符串
  • Unmanaged memory buffers 非托管內(nèi)存緩沖區(qū)

Span 類型表示駐留在托管堆、堆棧甚至非托管內(nèi)存中的連續(xù)內(nèi)存塊,如果創(chuàng)建一個(gè)基元類型的數(shù)組(使用 stackalloc 創(chuàng)建),它將在堆棧上分配,并且不需要垃圾回收來管理其生存期。Span<T> 能夠指向分配給堆?;蚨焉系膬?nèi)存塊。但是,因?yàn)?nbsp;Span<T> 被定義為 ref 結(jié)構(gòu),所以它應(yīng)該只駐留在堆棧上。

以下是一目了然的 Span<T> 的特征:

  • Value type 值類型
  • Low or zero overhead 低或零開銷
  • High performance 高性能
  • Provides memory and type safety 提供內(nèi)存和類型安全

開發(fā)者可以將 Span 與下列任一項(xiàng)一起使用

  • Arrays
  • Strings
  • Native buffers 本地緩沖區(qū)

可以轉(zhuǎn)換為 Span<T> 的類型列表如下:

  • Arrays
  • Pointers 指針
  • IntPtr 指針
  • stackalloc

開發(fā)者可以將以下所有內(nèi)容轉(zhuǎn)換為 ReadOnlySpan<T> :

  • Arrays
  • Pointers 指針
  • IntPtr 指針
  • stackalloc
  • string

Span<T> 是一個(gè)僅堆棧類型, 準(zhǔn)確地說它是一個(gè) ByRef 類型。因此,既不能將 span 裝箱,也不能顯示為僅限堆棧類型的字段,也不能在泛型參數(shù)中使用它們。但是,可以使用 span 來表示返回值或方法參數(shù)。請(qǐng)參考下面給出的代碼片段,它說明了 Span 結(jié)構(gòu)的完整源代碼:

public readonly ref struct Span<T> 
{
    internal readonly
    ByReference<T> _pointer;
    private readonly int _length;
    //Other members
}

因?yàn)?Span 定義時(shí),是 public readonly ref struct Span<T>,表示只能在堆棧中分配。

開發(fā)者可以在這里查看 struct Span<T> 的完整源代碼: https://github.com/dotnet/corefx/blob/master/src/common/src/corelib/system/Span.cs。

Span<T> 源代碼顯示它基本上包含兩個(gè)只讀字段: 一個(gè)本機(jī)指針和一個(gè)長(zhǎng)度屬性,表示 Span 包含的元素?cái)?shù)。

Span 的使用方式與數(shù)組相同,但是與數(shù)組不同,它可以引用堆棧內(nèi)存,即堆棧上分配的內(nèi)存、托管內(nèi)存和本機(jī)內(nèi)存。這為開發(fā)者提供了一種簡(jiǎn)單的方法來利用以前只有在處理非托管代碼時(shí)才能獲得的性能改進(jìn)。

若要?jiǎng)?chuàng)建空的 Span,可以使用 Span.Empty 屬性:

 Span<char> span = Span<char>.Empty;

下面的代碼片段演示如何在托管內(nèi)存中創(chuàng)建 Byte 數(shù)組,然后從中創(chuàng)建 span 實(shí)例。

var array = new byte[100];
var span = new Span<byte>(array);

C# 中的 Span

下面是如何在堆棧中分配一塊內(nèi)存并使用 Span 指向它:

Span<byte> span = stackalloc byte[100];

下面的代碼片段顯示了如何使用字節(jié)數(shù)組創(chuàng)建 Span、如何將整數(shù)存儲(chǔ)在字節(jié)數(shù)組中以及如何計(jì)算存儲(chǔ)的所有整數(shù)的總和。

var array = new byte[100];
var span = new Span<byte>(array);

byte data = 0;
for (int index = 0; index < span.Length; index++)
    span[index] = data++;

int sum = 0;
foreach (int value in array)
    sum += value;

下面的代碼片段從本機(jī)內(nèi)存(非托管內(nèi)存)創(chuàng)建一個(gè) Span:

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

現(xiàn)在可以使用下面的代碼片段在 Span 指向的內(nèi)存中存儲(chǔ)整數(shù),并顯示存儲(chǔ)的所有整數(shù)的總和:

byte data = 0;
for (int index = 0; index < span.Length; index++)
    span[index] = data++;

int sum = 0;
foreach (int value in span) 
    sum += value;

Console.WriteLine ($"The sum of the numbers in the array is {sum}");
Marshal.FreeHGlobal(nativeMemory);

還可以使用 stackalloc 關(guān)鍵字在堆棧內(nèi)存中分配 Span,如下所示:

byte data = 0;
Span<byte> span = stackalloc byte[100];

for (int index = 0; index < span.Length; index++)
    span[index] = data++;

int sum = 0;
foreach (int value in span) 
    sum += value;

Console.WriteLine ($"The sum of the numbers in the array is {sum}");

需要開啟不安全代碼設(shè)置。

Span 和 Arrays

切片允許將數(shù)據(jù)視為邏輯塊,然后可以以最小的資源開銷處理這些邏輯塊。Span<T> 可以包裝整個(gè)數(shù)組,因?yàn)樗С智衅钥梢宰屗赶驍?shù)組中的任何連續(xù)區(qū)域。下面的代碼片段顯示了如何使用 Span<T> 指向數(shù)組中由三個(gè)元素組成的片段。

int[] array = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 } ;
Span<int> slice = new Span<int>(array, 2, 3);

作為 Span<T> struct 的一部分,Slice 方法有兩個(gè)重載,允許基于索引創(chuàng)建,這允許將Span<T> 數(shù)據(jù)作為一系列邏輯塊來處理,這些邏輯塊可以單獨(dú)處理,也可以按照數(shù)據(jù)處理流水線的各個(gè)部分的要求來處理。

開發(fā)者可以使用 Span<T> 來包裝整個(gè)數(shù)組。因?yàn)樗С智衅?,所以它不僅可以指向數(shù)組的第一個(gè)元素,還可以指向數(shù)組中任何連續(xù)的元素范圍。

foreach (int i in slice)
    Console.WriteLine($"{i} ");

執(zhí)行前面的代碼片段時(shí),分片數(shù)組中的整數(shù)將顯示在控制臺(tái)上,如圖2所示。

Span 和 ReadOnlySpan

ReadOnlySpan<T> 實(shí)例通常用于引用數(shù)組項(xiàng)或數(shù)組的塊。與數(shù)組不同,ReadOnlySpan<T> 實(shí)例可以引用本機(jī)內(nèi)存、托管內(nèi)存或堆棧內(nèi)存。Span<T> 和 ReadOnlySpan<T> 都提供了連續(xù)內(nèi)存區(qū)域的類型安全表示, Span<T> 提供對(duì)內(nèi)存區(qū)域的讀寫訪問, ReadOnlySpan<T> 提供對(duì)內(nèi)存段的只讀訪問。

下面的代碼片段說明了如何使用 ReadOnlySpan 在 C# 中切割字符串的一部分:

ReadOnlySpan<char> readOnlySpan = "This is a sample data for testing purposes.";
int index = readOnlySpan.IndexOf(' ');
var data = ((index < 0) ?
    readOnlySpan : readOnlySpan.Slice(0, index)).ToArray();

Memory 入門

Memory<T> 是一個(gè)引用類型,它表示內(nèi)存的一個(gè)連續(xù)區(qū)域,具有一個(gè)長(zhǎng)度,但不一定從索引0開始,可以是另一個(gè) Memory 中的許多區(qū)域之一。由 Memory 表示的內(nèi)存甚至可能不是開發(fā)者自己的進(jìn)程,因?yàn)樗赡芤呀?jīng)在非托管代碼中分配。內(nèi)存對(duì)于表示非連續(xù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)非常有用,因?yàn)樗试S開發(fā)者像對(duì)待單個(gè)連續(xù)緩沖區(qū)一樣對(duì)待它們,而不需要進(jìn)行復(fù)制。

以下是 Memory 的定義:

public struct Memory<T> 
{
    void* _ptr;
    T[]   _array;
    int   _offset;
    int   _length;

    public Span<T> Span => _ptr == null ? new Span<T>(_array, _offset, _length) : new Span<T>(_ptr, _length);
}

除了包含 Span<T> 功能外,Memory<T> 還提供了一個(gè)安全的、可切片的視圖,可以進(jìn)入任何連續(xù)的緩沖區(qū),無論是數(shù)組還是字符串。與 Span<T> 不同,它沒有僅限于堆棧的約束,因?yàn)樗皇穷愃朴?ref 的類型。因此,開發(fā)者可以將它放在堆上,在集合中或異步等待中使用它,將它保存為字段或裝箱,就像對(duì)待任何其他 C# 結(jié)構(gòu)一樣。

當(dāng)需要修改或處理 Memory<T> 引用的緩沖區(qū)時(shí),Span<T> 屬性允許開發(fā)者獲得高效的索引功能。相反,Memory<T> 是一種比 Span 更通用和高級(jí)的交換類型,它具有一個(gè)名為 ReadOnlyMemory<T> 的不可變的只讀對(duì)應(yīng)物。

盡管 Span<T> 和 Memory<T> 都代表一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存塊,但與 Span<T> 不同,Memory<T> 不是一個(gè) ref 結(jié)構(gòu)。因此,與 Span<T> 相反,開發(fā)者可以在托管堆上的任何位置使用 Memory<T> 。因此,在 Memory<T> 中沒有與 Span<T> 中相同的限制,開發(fā)者可以使用 Memory<T> 作為類字段,并且可以跨 await 和 yield 邊界(下面會(huì)說到)。

ReadOnlyMemory

與 ReadOnlySpan<T> 類似,ReadOnlyMemory<T> 表示對(duì)連續(xù)內(nèi)存區(qū)域的只讀訪問,但與 ReadOnlySpan<T> 不同,它不是 ByRef 類型。

現(xiàn)在請(qǐng)參考下面的字符串,其中包含由空格字符分隔的國(guó)家名稱。

string countries = "India Belgium Australia USA UK Netherlands";
var countries = ExtractStrings("India Belgium Australia USA UK Netherlands".AsMemory());

通過提取字符串的方法提取每個(gè)國(guó)家的名稱,如下所示:

public static IEnumerable<ReadOnlyMemory <char>> ExtractStrings(ReadOnlyMemory<char> c)
{
    int index = 0, length = c.Length;
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        if (char.IsWhiteSpace(c.Span[i]) || i == length)
        {
            yield return c[index..i];
            index = i + 1;
        }
    }
}

開發(fā)者可以調(diào)用上述方法,并使用以下代碼片段在控制臺(tái)窗口中顯示國(guó)家名稱:

var data = ExtractStrings(countries.AsMemory());
foreach(var str in data)
    Console.WriteLine(str);

Span 和 Memory 的優(yōu)勢(shì)

使用 Span 和 Memory 類型的主要優(yōu)點(diǎn)是提高了性能。開發(fā)者可以通過使用 stackalloc 關(guān)鍵字來分配堆棧上的內(nèi)存,該關(guān)鍵字分配一個(gè)未初始化的塊,該塊是 T[size]類型的實(shí)例。如果開發(fā)者的數(shù)據(jù)已經(jīng)在堆棧上,則不需要這樣做,但是對(duì)于大型對(duì)象,這樣做很有用,因?yàn)橐赃@種方式分配的數(shù)組只有在其作用域持續(xù)存在時(shí)才存在。如果使用堆分配的數(shù)組,可以通過 Slice()這樣的方法傳遞它們,并在不復(fù)制任何數(shù)據(jù)的情況下創(chuàng)建視圖。

這里還有一些好處:

  • 它們減少了垃圾收集器的分配數(shù)量。它們還減少了數(shù)據(jù)的副本數(shù)量,并提供了一種更有效的方法來同時(shí)處理多個(gè)緩沖區(qū);
  • 它們?cè)试S開發(fā)者編寫高性能代碼。例如,如果開發(fā)者有一大塊內(nèi)存需要分成小塊,那么使用 Span 作為原始內(nèi)存的視圖。這允許開發(fā)者的應(yīng)用程序直接從原始緩沖區(qū)訪問字節(jié),而無需復(fù)制;
  • 它們?cè)试S開發(fā)者直接訪問內(nèi)存而無需復(fù)制內(nèi)存。這在使用本機(jī)庫(kù)或與其他語(yǔ)言進(jìn)行互操作時(shí)特別有用;
  • 它們?cè)试S開發(fā)者在性能至關(guān)重要的緊密循環(huán)(如加密或網(wǎng)絡(luò)包檢查)中消除邊界檢查;
  • 它們?cè)试S開發(fā)者消除與通用集合(如 List)相關(guān)的裝箱和取消裝箱成本;
  • 通過使用單一數(shù)據(jù)類型(Span)而不是兩種不同類型(Array 和 ArraySegment) ,它們可以編寫更容易理解的代碼;

連續(xù)和非連續(xù)內(nèi)存緩沖區(qū)

連續(xù)內(nèi)存緩沖區(qū)是將數(shù)據(jù)保存在順序相鄰位置的內(nèi)存塊,換句話說,所有的字節(jié)在內(nèi)存中都是相鄰的。數(shù)組表示連續(xù)的內(nèi)存緩沖區(qū)。

例如:

int[] values = new int[5]; 

上面示例中的五個(gè)整數(shù)將從第一個(gè)元素(值[0])開始,按順序放置在內(nèi)存中的五個(gè)位置。

與連續(xù)緩沖區(qū)不同,開發(fā)者可以使用非連續(xù)緩沖區(qū)來處理多個(gè)數(shù)據(jù)塊并不相鄰的情況,或者在使用非托管代碼時(shí)使用非連續(xù)緩沖區(qū),Span 和 Memory 類型是專門為非連續(xù)緩沖區(qū)設(shè)計(jì)的,并提供了使用它們的方便方法。

非連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域不能保證元素以任何特定的順序存儲(chǔ),也不能保證元素在內(nèi)存中緊密地存儲(chǔ)在一起。非連續(xù)緩沖區(qū)(如 ReadOnlySequence (與段一起使用時(shí)))駐留在內(nèi)存的單獨(dú)區(qū)域中,這些區(qū)域可能分散在堆中,不能被單個(gè)指針訪問。

例如,IEnumable 是非連續(xù)的,因?yàn)樵陂_發(fā)者逐個(gè)枚舉每個(gè)項(xiàng)之前,無法知道下一個(gè)項(xiàng)將在哪里。為了表示段之間的這些間隔,必須使用附加數(shù)據(jù)來跟蹤每個(gè)段的開始和結(jié)束位置。

不連續(xù)的緩沖區(qū): ReadOnly 序列

讓作者們假設(shè)開發(fā)者正在使用一個(gè)不連續(xù)的緩沖區(qū)。例如,數(shù)據(jù)可能來自網(wǎng)絡(luò)流、數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用或文件流。這些場(chǎng)景中的每一個(gè)都可以有多個(gè)大小不同的緩沖區(qū)。一個(gè) ReadOnlySequence 實(shí)例可以包含一個(gè)或多個(gè)內(nèi)存段,每個(gè)段可以有自己的 Memory 實(shí)例。因此,單個(gè) ReadOnlySequence 實(shí)例可以更好地管理可用內(nèi)存,并提供比許多串聯(lián)內(nèi)存實(shí)例更好的性能。

開發(fā)者可以使用 SequenceReader 類上的工廠方法 Create()以及 AsReadOnlySequence()等其他方法創(chuàng)建 ReadOnlySequence 實(shí)例。Create() 方法有幾個(gè)重載,允許開發(fā)者傳入 byte [] 或 ArraySegment、字節(jié)數(shù)組序列(IEnumable)或 IReadOnlyCollection /IReadOnlyList/IList / ICollection 字節(jié)數(shù)組集合(byte [])和 ArraySegment。

開發(fā)者現(xiàn)在知道 Span<T> 和 Memory<T> 提供了對(duì)連續(xù)內(nèi)存緩沖區(qū)(如數(shù)組)的支持。系統(tǒng)。緩沖區(qū)命名空間包含一個(gè)名為 ReadOnlySequense<T> 的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)支持處理不連續(xù)的內(nèi)存緩沖區(qū)。下面的代碼片段說明了如何在 C# 中使用 ReadOnlySequence<T> :

int[] array = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
var readOnlySequence = new ReadOnlySequence<int>(array);
var slicedReadOnlySequence = readOnlySequence.Slice(1, 5);

開發(fā)者也可以使用 ReadOnlyMemory<T> ,如下所示:

int[] array = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
ReadOnlyMemory<int> memory = array;
var readOnlySequence = new ReadOnlySequence<int>(memory);
var slicedReadOnlySequence = readOnlySequence.Slice(1,  5);

實(shí)際場(chǎng)景

現(xiàn)在讓作者們來談?wù)勔粋€(gè)現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景,以及 Span<T> 和 Memory<T> 是如何起作用的。請(qǐng)考慮以下字符串?dāng)?shù)組,其中包含從日志文件檢索到的日志數(shù)據(jù):

string[] logs = new string[]
{
    "a1K3vlCTZE6GAtNYNAi5Vg::05/12/2022 09:10:00 AM::http://localhost:2923/api/customers/getallcustomers",
    "mpO58LssO0uf8Ced1WtAvA::05/12/2022 09:15:00 AM::http://localhost:2923/api/products/getallproducts",
    "2KW1SfJOMkShcdeO54t1TA::05/12/2022 10:25:00 AM::http://localhost:2923/api/orders/getallorders",
    "x5LmCTwMH0isd1wiA8gxIw::05/12/2022 11:05:00 AM::http://localhost:2923/api/orders/getallorders",
    "7IftPSBfCESNh4LD9yI6aw::05/12/2022 11:40:00 AM::http://localhost:2923/api/products/getallproducts"
};

請(qǐng)記住,開發(fā)者可以擁有數(shù)百萬(wàn)條日志記錄,因此性能至關(guān)重要。這個(gè)示例只是從大量日志數(shù)據(jù)中提取的日志數(shù)據(jù)。每個(gè)行的數(shù)據(jù)由 HTTP 請(qǐng)求 ID、 HTTP 請(qǐng)求的 DateTime 和端點(diǎn) URL 組成。現(xiàn)在假設(shè)開發(fā)者需要從這些數(shù)據(jù)中提取請(qǐng)求 ID 和端點(diǎn) URL。

開發(fā)者需要一個(gè)高性能的解決方案。如果使用 String 類的 Substring 方法,就會(huì)創(chuàng)建許多字符串對(duì)象,這也會(huì)降低應(yīng)用程序的性能。最好的解決方案是在這里使用 Span<T> 來避免分配。解決這個(gè)問題的方法是使用 Span<T> 和 Slice 方法,如下一節(jié)所示。

Benchmarking 基準(zhǔn)測(cè)試

是時(shí)候測(cè)量一下了?,F(xiàn)在讓作者們對(duì) Span<T> struct 與 String 類的 Substring 方法的性能進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

安裝 NuGet 包

目前為止還不錯(cuò)。下一步是安裝必要的 NuGet 包。要將所需的包安裝到項(xiàng)目中,右鍵單擊解決方案并選擇 Manage NuGet Packages for Solution... ?,F(xiàn)在在搜索框中搜索名為 BenchmarkDotNet 的軟件包并安裝它。或者,開發(fā)者也可以在NuGet Package Manager 命令提示符下鍵入以下命令:

PM> Install-Package BenchmarkDotNet

Benchmarking Span

現(xiàn)在讓作者們研究一下如何對(duì) Substring 和 Slice 方法的性能進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。使用清單1中的代碼創(chuàng)建一個(gè)名為 BenchmarkPerformance 的新類。開發(fā)者應(yīng)該注意在 GlobalSetup 方法中如何設(shè)置數(shù)據(jù)以及 GlobalSetup 屬性的用法。

[MemoryDiagnoser]
[Orderer(BenchmarkDotNet.Order.SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)]
[RankColumn]

public class BenchmarkPerformance
{
    [Params(100, 200)]
    public int N;

    string countries = null;
    int index, numberOfCharactersToExtract;

    [GlobalSetup]
    public void GlobalSetup()
    {
        countries = "India, USA, UK, Australia, Netherlands, Belgium";
        index = countries.LastIndexOf(",",StringComparison.Ordinal);
        numberOfCharactersToExtract = countries.Length - index;
    }
}

現(xiàn)在,編寫名為 Substring 和 Span 的兩個(gè)方法,如清單2所示。前者使用 String 類的 Substring 方法檢索最后一個(gè)國(guó)家名稱,而后者使用 Slice 方法提取最后一個(gè)國(guó)家名稱。

[Benchmark]
public void Substring()
{
    for(int i = 0; i < N; i++)
    {
        var data = countries.Substring(index + 1, numberOfCharactersToExtract - 1);
    }
}

[Benchmark(Baseline = true)]
public void Span()
{
    for(int i=0; i < N; i++)
    {
       var data = countries.AsSpan().Slice(index + 1, numberOfCharactersToExtract - 1);
    }
}

執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試

class Program
{
    static void Main()
    {
        BenchmarkRunner.Run<BenchmarkPerformance>();
    }
}

若要執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試,請(qǐng)將項(xiàng)目的編譯模式設(shè)置為“發(fā)布”,并在項(xiàng)目文件所在的同一文件夾中運(yùn)行以下命令:

dotnet run -c Release

下圖顯示了基準(zhǔn)測(cè)試的執(zhí)行結(jié)果。

解讀基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

如上一小節(jié)的圖所示,在使用 Slice 方法提取字符串時(shí),絕對(duì)沒有分配。對(duì)于每個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試方法,都會(huì)生成一行結(jié)果數(shù)據(jù)。因?yàn)橛袃蓚€(gè)基準(zhǔn)測(cè)試方法,所以有兩行基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)?;鶞?zhǔn)測(cè)試結(jié)果顯示了平均執(zhí)行時(shí)間、 Gen0集合和分配的內(nèi)存。從基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果中可以明顯看出,Span 比 Substring 方法快7.5倍以上(譯者圖中的結(jié)果是9倍)。

Span 限制

Span<T> 是僅堆棧的,這意味著它不適合在堆上存儲(chǔ)對(duì)緩沖區(qū)的引用,例如在執(zhí)行異步調(diào)用的例程中。它不在托管堆中分配,而是在堆棧中分配,并且它不支持裝箱以防止升級(jí)到托管堆。不能將 Span<T> 用作泛型類型,但可以將其用作 ref 結(jié)構(gòu)中的字段類型。不能將 Span<T> 賦給動(dòng)態(tài)類型、對(duì)象類型或任何其他接口類型的變量。不能在引用類型中使用 Span<T> 作為字段,也不能跨等待和產(chǎn)生邊界使用它。此外,由于 Span<T> 不繼承 IEnumable,因此不能對(duì)其使用 LINQ。

需要注意的是,類中不能有 Span<T> 字段,不能創(chuàng)建 Span<T> 數(shù)組,也不能包含 Span<T> 實(shí)例。注意, Span<T> 和Memory<T> 都沒有實(shí)現(xiàn) IEnumable<T> ,因此,開發(fā)者將無法使用 LINQ 與這兩者操作。但是,開發(fā)者可以利用 SpanLinq 、 NetFabric、Hyperlinq 庫(kù)來繞過這個(gè)限制。

結(jié)論

在本文中,作者研究了 Span<T> 和 Memory<T> 的特性和優(yōu)點(diǎn),以及如何在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)它們。作者還討論了一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景,其中可以使用 Span 來提高字符串處理性能。請(qǐng)注意,Span<T> 比 Memory<T> 更多才多藝,性能也更好,但它并不能完全取代它。

到此這篇關(guān)于在 C# 中使用 Span&lt;T&gt; 和 Memory&lt;T&gt; 編寫高性能代碼的詳細(xì)步驟的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C# Span&lt;T&gt; 和 Memory&lt;T&gt; 編寫高性能代碼內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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