.Net Core中如何使用ref和Span<T>提高程式效能的實現代碼

這篇文章主要介紹了.Net Core中使用ref和Span<T>提高程式效能的簡單實現代碼,需要的朋友可以參考下

一、前言

其實說到ref，很多同學對它已經有所瞭解，ref是C# 7.0的一個語言特性，它為開發人員提供了返回本地變數引用和值引用的機制。
Span也是建立在ref文法基礎上的一個複雜的資料類型，在文章的後半部分，我會有一個例子說明如何使用它。

二、ref關鍵字

不論是ref還是out關鍵，都是一種比較難以理解和操作的語言特性，如C語言中操作指標一樣，這樣的進階文法總是什麼帶來一些副作用，但是我不認為這有什麼，而且不是每一個C#開發人員都要對這些內部啟動並執行機制有著深刻的理解，我覺得不論什麼複雜的東西只是為人們提供了一個自由的選擇，風險和靈活性永遠是不能相容的。

來看幾個例子來說明引用與指標的相同性，當然下面的使用方式早在C# 7.0之前就可以使用了：

public static void IncrementByRef(ref int x){ x++;}public unsafe static void IncrementByPointer(int* x){ (*x)++;}

上面兩個函數分別是使用ref和非安全指標來完成參數+1。

int i = 30;IncrementByRef(ref i);// i = 31unsafe{ IncrementByPointer(&i);}// i = 32

下面是C# 7.0提供的特性：

1.ref locals (引用本地變數)

int i = 42;ref var x = ref i;x = x + 1;// i = 43

這個例子中為本地 i 變數的引用 x, 當改變x的值時i變數的值也改變了。

2.ref returns (傳回值引用)

ref returns是C# 7中一個強大的特性，下面代碼是最能體現其特性的，該函數提供了，返回int數組中某一項的引用：

public static ref int GetArrayRef(int[] items, int index) => ref items[index];

通過下標取得數組中的項目的引用，改變引用值時，數組也會隨之改變。

三、Span

System.Span是.Net Core核心的一部分，在System.Memory.dll 程式集下。目前該特性是獨立的，將來可能會整合到CoreFx中；

如何使用呢？在.Net Core 2.0 SDK建立的項目下引用如下NuGet包：

 <ItemGroup> <PackageReference Include="System.Memory" Version="4.4.0-preview1-25305-02" /> <PackageReference Include="System.Runtime.CompilerServices.Unsafe" Version="4.4.0-preview1-25305-02" /> </ItemGroup>

在上面我們看到了使用ref關鍵字可以提供的類似指標(T*)的操作單一值對象方式。基本上在.NET體系下操作指標都不認為是一件好的事件，當然.NET為我們提供了安全操作單值引用的ref。但是單值只是使用者使用“指標”的一小部分需求；對於指標來說，更常見的情況是操作一系列連續的記憶體空間中的“元素”時。

Span表示為一個已知長度和類型的連續記憶體塊。許多方面講它非常類似T[]或ArraySegment，它提供安全的訪問記憶體地區指標的能力。其實我理解它更將是.NET中操作(void*)指標的抽象,熟悉C/C++開發人員應該更明白這意味著什麼。

Span的特點如下：

•抽象了所有連續記憶體空間的類型系統，包括：數組、非託管指標、堆棧指標、fixed或pinned過的管理的資料，以及值內部地區的引用
•支援CLR標準物件類型和實值型別
•支援泛型
•支援GC,而不像指標需要自己來管理釋放

下面來看下Span的定義，它與ref有著文法和語義上的聯絡：

public struct Span<T> { ref T _reference; int _length; public ref T this[int index] { get {...} } ...}public struct ReadOnlySpan<T> { ref T _reference; int _length; public T this[int index] { get {...} } ...}

接下來我會用一個直觀的例子來說明Span的使用情境；我們以字元截取和字元轉換（轉換為整型）為例：

如有一個字串string content = "content-length:123",要轉換將123轉換為整型，通常的做法是先Substring將與數字字元無關的字串進行截斷，轉碼如下：

string content = "content-length:123";Stopwatch watch1 = new Stopwatch();watch1.Start();for (int j = 0; j < 100000; j++){ int.Parse(content.Substring(15));}watch1.Stop();Console.WriteLine("\tTime Elapsed:\t" + watch1.ElapsedMilliseconds.ToString("N0") + "ms");

為什麼使用這個例子呢，這是一個典型的substring的使用情境，每次操作string都會產生新的string對象,當然不光是Substring,在進行int.Parse時重複操作string對象，如果大量操作就會給GC造成壓力。

使用Span實現這個演算法：

string content = "content-length:123";ReadOnlySpan<char> span = content.ToCharArray(); span.Slice(15).ParseToInt();watch.Start();for (int j = 0; j < 100000; j++){ int icb = span.Slice(15).ParseToInt();}watch.Stop();Console.WriteLine("\tTime Elapsed:\t" + watch.ElapsedMilliseconds.ToString("N0") + "ms");

這裡將string轉換為int的演算法利用ReadonlySpan實現，這也是Span的典型使用情境，官方給的情境也是如些，Span適用於多次複用操作連續記憶體的情境。

轉碼如下：

public static class ReadonlySpanxtension{ public static int ParseToInt(this ReadOnlySpan<char> rspan) {  Int16 sign = 1;  int num = 0;  UInt16 index = 0;  if (rspan[0].Equals('-')){   sign = -1; index = 1;  }  for (int idx = index; idx < rspan.Length; idx++){   char c = rspan[idx];   num = (c - '0') + num * 10;  }  return num * sign; }}

四、最後

上述兩段代碼100000次調用的時間如下：

String Substring Convert:  Time Elapsed: 18msReadOnlySpan Convert:  Time Elapsed: 4ms

目前Span的相關支援還夠，它只是最基礎架構，之後CoreFx會對很多API使用Span進行重構和實現。可見.Net Core的效能日後會越來越強大。