C#中的高性能內(nèi)存操作的利器:Span<T>和Memory<T>

更新時間：2025年08月02日 10:32:51 作者：子丶不語

在.NET開發(fā)中,內(nèi)存管理一直是影響性能的關鍵因素,.NET Core 2.1引入Span和Memory優(yōu)化內(nèi)存管理,減少分配與復制開銷,Span棧分配、無GC壓力,適用于同步高性能場景；Memory堆分配、支持異步操作,適合跨方法傳遞與長期存儲,合理選擇可提升代碼效率與可靠性

Span：棧上分配的高性能利器

Span的本質(zhì)

Span是一個棧分配的結(jié)構(gòu)體(值類型)，它提供了一種不需要額外內(nèi)存分配就能操作連續(xù)內(nèi)存區(qū)域的方法。

int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> span = numbers; 
span[0] = 10; 
Console.WriteLine(numbers[0]);

注意：數(shù)組堆上分配的引用類型，與Span還是有區(qū)別的，Span無GC壓力。

Span與字符串處理

傳統(tǒng)的字符串處理方法如Substring()會創(chuàng)建新的字符串實例，而使用Span可以避免這種額外的內(nèi)存分配：

using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        string orderData = "ORD-12345-AB: 已發(fā)貨";

        // 傳統(tǒng)方式 - 創(chuàng)建新的字符串對象
        string orderId1 = orderData.Substring(0, 11); // 分配新內(nèi)存
        string status1 = orderData.Substring(13);     // 再次分配新內(nèi)存

        // 使用Span<T> - 不創(chuàng)建新的字符串對象
        ReadOnlySpan<char> dataSpan = orderData.AsSpan();
        ReadOnlySpan<char> orderId2 = dataSpan.Slice(0, 11); // 不分配新內(nèi)存
        ReadOnlySpan<char> status2 = dataSpan.Slice(13);     // 不分配新內(nèi)存

        // 必要時才將Span轉(zhuǎn)換為string
        Console.WriteLine($"訂單號: {orderId2.ToString()}");
        Console.WriteLine($"狀態(tài): {status2.ToString()}");
    }
}

使用stackalloc與Span

Span可以直接與棧上分配的內(nèi)存一起使用，避免堆分配的開銷：

using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace AppSpanMemory
{
    internal class Program
    {
        static unsafe void Main()
        {
            Span<int> stackNums = stackalloc int[100];

            for (int i = 0; i < stackNums.Length; i++)
            {
                stackNums[i] = i * 10;
            }

            // 獲取Span起始位置的指針
            void* ptr = Unsafe.AsPointer(ref MemoryMarshal.GetReference(stackNums));

            Console.WriteLine($"Span內(nèi)存地址: 0x{(ulong)ptr:X}");

            // 打印前10個元素
            var firstTen = stackNums.Slice(0, 10);
            foreach (var n in firstTen)
            {
                Console.Write($"{n} ");
            }
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

Span的關鍵特性

零內(nèi)存分配操作數(shù)據(jù)時不創(chuàng)建額外的內(nèi)存對象
類型安全提供類型檢查，避免類型轉(zhuǎn)換錯誤
可用于多種內(nèi)存來源數(shù)組、固定大小緩沖區(qū)、棧分配內(nèi)存、非托管內(nèi)存等
性能優(yōu)勢適用于高性能計算和數(shù)據(jù)處理場景
限制只能在同步方法中使用，不能作為類的字段

Memory：異步操作的理想選擇

Memory的定位

Memory是Span的堆分配版本，主要用于支持異步操作場景。

// Memory<T>的基本使用
Memory<int> memory = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> spanFromMemory = memory.Span; // 從Memory獲取Span視圖
spanFromMemory[0] = 20;
Console.WriteLine(memory.Span[0]);

Memory與異步文件操作

Memory在處理異步I/O操作時特別有用：

using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace AppSpanMemory
{
    internal class Program
    {
        static async Task Main()
        {
            // 創(chuàng)建一個4KB的緩沖區(qū)
            byte[] buffer = new byte[4096];
            Memory<byte> memoryBuffer = buffer; 

            using FileStream fileStream = new FileStream("bigdata.dat", FileMode.Open, FileAccess.Read);
            int bytesRead = await fileStream.ReadAsync(memoryBuffer);

            if (bytesRead > 0)
            {
                Memory<byte> actualData = memoryBuffer.Slice(0, bytesRead);
                ProcessData(actualData.Span);
            }

            Console.WriteLine($"讀取了 {bytesRead} 字節(jié)的數(shù)據(jù)");
        }

        static void ProcessData(Span<byte> data)
        {
            Console.WriteLine($"前10個字節(jié): {BitConverter.ToString(data.Slice(0, Math.Min(10, data.Length)).ToArray())}");
        }
    }
}

Memory的關鍵特性

異步友好可以在異步方法中使用
不綁定執(zhí)行上下文可以在方法之間傳遞
可作為類字段可以存儲在類中長期使用
性能略低相比Span有輕微的性能開銷
更靈活可用于更多場景

Span與Memory的對比選擇

特性	Span<T>	Memory<T>
分配位置	棧	堆
異步支持	不支持	支持
性能表現(xiàn)	更高	稍低
適用場景	同步高性能操作	異步操作、跨方法傳遞
可否作為字段	不可以	可以
生命周期	方法范圍內(nèi)	可長期存在

實戰(zhàn)應用場景

高性能字符串解析

using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace AppSpanMemory
{
    internal class Program
    {
        static async Task Main()
        {
            string csvLine = "張三,30,北京市海淀區(qū),軟件工程師";
            ParseCsvLine(csvLine.AsSpan());
        }

        public static void ParseCsvLine(ReadOnlySpan<char> line)
        {
            int start = 0;
            int fieldIndex = 0;

            for (int i = 0; i < line.Length; i++)
            {
                if (line[i] == ',')
                {
                    // 不創(chuàng)建新字符串
                    ReadOnlySpan<char> field = line.Slice(start, i - start);
                    ProcessField(fieldIndex, field);

                    start = i + 1;
                    fieldIndex++;
                }
            }

            // 處理最后一個字段
            if (start < line.Length)
            {
                ReadOnlySpan<char> lastField = line.Slice(start);
                ProcessField(fieldIndex, lastField);
            }
        }

        private static void ProcessField(int index, ReadOnlySpan<char> field)
        {
            Console.WriteLine($"字段 {index}: '{field.ToString()}'");
        }

    }
}

二進制數(shù)據(jù)處理

using System;
using System.Buffers.Binary;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Text;

namespace AppSpanMemory
{
    internal class Program
    {
        static async Task Main()
        {
            string csvLine = "張三,30,北京市海淀區(qū),軟件工程師";

            byte[] payloadBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(csvLine);

            // 頭部4字節(jié) + 數(shù)據(jù)長度4字節(jié) + 數(shù)據(jù)體
            byte[] fileData = new byte[4 + 4 + payloadBytes.Length];

            // 寫入頭部標識 "DATA"
            fileData[0] = (byte)'D';
            fileData[1] = (byte)'A';
            fileData[2] = (byte)'T';
            fileData[3] = (byte)'A';

            // 寫入數(shù)據(jù)長度（小端）
            BinaryPrimitives.WriteInt32LittleEndian(fileData.AsSpan(4, 4), payloadBytes.Length);

            // 寫入數(shù)據(jù)體
            payloadBytes.CopyTo(fileData.AsSpan(8));

            // 傳入文件字節(jié)數(shù)據(jù)的只讀切片
            ProcessBinaryFile(fileData);
        }

        public static void ProcessBinaryFile(ReadOnlySpan<byte> data)
        {
            // [4字節(jié)頭部標識][4字節(jié)數(shù)據(jù)長度][實際數(shù)據(jù)]
            if (data.Length < 8)
            {
                thrownew ArgumentException("數(shù)據(jù)格式不正確");
            }

            // 檢查頭部標識"DATA"
            ReadOnlySpan<byte> header = data.Slice(0, 4);
            if (!(header[0] == 'D' && header[1] == 'A' && header[2] == 'T' && header[3] == 'A'))
            {
                thrownew ArgumentException("無效的文件頭");
            }

            // 讀取數(shù)據(jù)長度 (小端字節(jié)序)
            int dataLength = BinaryPrimitives.ReadInt32LittleEndian(data.Slice(4, 4));

            // 確保數(shù)據(jù)完整
            if (data.Length < 8 + dataLength)
            {
                thrownew ArgumentException("數(shù)據(jù)不完整");
            }

            // 獲取實際數(shù)據(jù)部分
            ReadOnlySpan<byte> payload = data.Slice(8, dataLength);

            Console.WriteLine($"有效載荷大小: {payload.Length} 字節(jié)");
            Console.WriteLine($"前10個字節(jié): {BitConverter.ToString(payload.Slice(0, Math.Min(10, payload.Length)).ToArray())}");
        }

    }
}