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作者介绍：

史蒂夫·戈登（Steve Gordon）是Microsoft MVP，Pluralsight的作者，布莱顿（英国西南部城市）的高级开发人员和社区负责人。

编写高性能的C#代码（三）使用SPAN

这篇文章继续了我有关编写高性能C＃代码的系列文章^[1]。在本文中，我们将通过介绍Span 类型从上两篇文章继续，并通过将其转换为基于Span的版本来重构一些现有代码。我们将使用Benchmark.NET比较这些方法并验证我们的更改是否改进了代码。

如果您想遵循示例代码，可以在GitHub上找到^[2]。

什么是SPAN ？

Span是C＃7.2引入的一种新类型，在.NET Core 2.1运行时中受支持。现有的.NET Standard 1.0运行时都有一个.NET Standard实现，但是在.NET Core中，我将重点介绍运行时更改，以支持可能的最佳版本，也称为“fast span”。

Span提供对内存连续区域的类型安全访问。该内存可以位于堆，堆栈上，甚至可以由非托管内存组成。Span具有相关的类型ReadOnlySpan ，该类型提供内存中数据的只读视图。ReadOnlySpan可用于查看不可变类型（例如字符串）占用的内存。我更喜欢将Span视为进入某些现有内存的窗口，而不管其分配在何处。

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在上图中，Span 引用一些已经分配的连续内存。现在，我们在该内存上有了一个窗口。

Span 被定义为引用结构，这意味着它仅限于仅在堆栈上分配。这减少了一些潜在的用例，例如将其存储为类中的字段或在异步方法中使用它。这些限制可以通过使用类似的新型Memory来解决，我们将在以后的文章中介绍它。引用结构设计的主要原因是要确保在使用Span时，我们不会引起其他堆分配。这是它支持高性能代码路径中如此高度优化的用例的原因之一。

我将避免为这篇文章过多地介绍实现细节（毕竟这是一篇介绍），而将重点放在一个示例中，我们可能在哪里使用它以及它如何影响我们的基准。

如果您想阅读有关Span的更多详细信息，我建议以下链接：

•Span 结构^[3]•有关Span的所有信息：探索新的.NET主体^[4]•C＃7.2：了解Span^[5]•Span By Adam Sitnik^[6]

加快现有代码的速度并减少分配

在上一篇文章中，我们对一些代码进行了基准测试，这些代码用于从全名字符串中“解析”姓氏。通过Benchmark.NET，我们确定该方法需要125.8 ns的时间运行，并且每次运行分配160个字节。

在使用基于Span 的方法进行重构之前，我希望这是一个公平的竞争，因此我将首先不使用Span 来优化代码。这有望成为一个很好的例子，因为它着重指出，即使不使用Span之类的新功能，也可以通过对正在执行的工作进行一些思考来优化现有代码。

当前代码在任何空格上分割字符串，这将组成一个字符串数组。如果考虑到这一点，我们将分配一个数组，在使用名称“ Steve J Gordon”的情况下，这样做时将分配三个较小的字符串“ Steve”，“ J”和“ Gordon”。正如我们在基准测试中所看到的那样，这会导致分配160个字节。

对于查找姓氏的要求，我们不在乎存储名称的所有部分，而只是存储我们希望是姓氏的最后一部分。请注意，在此示例中，我忽略了多词姓氏等情况！

让我们向NameParser添加另一个方法，该方法而不是拆分字符串，而是获取最后一个空格字符的索引，并使用该方法获取代表姓氏的子字符串。

public string GetLastNameUsingSubstring(string fullName){var lastSpaceIndex = fullName.LastIndexOf(" ", StringComparison.Ordinal);return lastSpaceIndex == -1? string.Empty: fullName.Substring(lastSpaceIndex + 1);}

首先，我们获取全名字符串中最后一次出现空格的索引。如果它为-1，则找不到任何空格，因此我们将返回一个空字符串作为默认结果。如果找到索引，则使用Substring方法提取姓氏并将其返回。

我们稍后会将该版本包含在我们的基准测试中。但是，实际上，值得在进行代码改进的每个迭代时对其进行测试，以验证您是在改进方面还是使它们变得更糟。

使用SPAN

让我们看看这次如何使用Span 重新编写此代码。在高性能需求旺盛的场景中，我们既要提高速度又要减少代码中的内存分配。

 public ReadOnlySpan<char> GetLastNameWithSpan(ReadOnlySpan<char> fullName){var lastSpaceIndex = fullName.LastIndexOf(' ');return lastSpaceIndex == -1 ? ReadOnlySpan<char>.Empty : fullName.Slice(lastSpaceIndex + 1);}

首先要注意的是，方法参数“ fullName”现在的类型为ReadOnlySpan 。某些类型（例如字符串）可以隐式转换为chars的ReadOnlySpan，因此此方法签名可以正常工作。现在，返回类型也是ReadOnlySpan。

首先，以与上面的优化代码非常相似的方式，我们寻找空格字符的最后一个索引。

同样，如果其值为-1，则我们找不到空格，并且将返回空的ReadOnlySpan 结果。

如果找到空格字符，我们现在可以使用Span的一种功能，即“切片”（Slice）。

切片是一项非常强大的操作，我们可以将现有的Span和“切片”放到更紧密的窗口中。切片时，我们为切片指定起始位置的索引，并为切片指定终止位置的长度。省略长度会导致从起始位置到Span结束的切片。

切片是一种低成本的操作，因为我们不复制任何内容，而只是创建一个新的Span，该Span表示一个进入现有内存范围子集的窗口。

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在上图中，我们可以创建原始Span的Slice来查看其中的5个元素，而无需分配原始内存的任何其他副本。

在新的基于Span的代码中，我们从空格字符后的索引处开始获取fullName的一部分。由于我们未指定长度，因此此切片将运行到现有Span的末尾。

对Span进行切片后，会在切片的部分上产生一个新的Span，然后将其作为方法的结果返回。

至此，我们有两个潜在的改进代码版本，一个使用Substring，另一个使用Span 。让我们更新基准并比较结果。

衡量改进基准

添加两个新基准后，基准类现在如下所示：

[RankColumn][Orderer(SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)][MemoryDiagnoser]public class NameParserBenchmarks{private const string FullName = "Steve J Gordon";private static readonly NameParser Parser = new NameParser();[Benchmark(Baseline = true)]public void GetLastName(){Parser.GetLastName(FullName);}[Benchmark]public void GetLastNameUsingSubstring(){Parser.GetLastNameUsingSubstring(FullName);}[Benchmark]public void GetLastNameWithSpan(){Parser.GetLastNameWithSpan(FullName);}}

我们定义了三个基准，每个基准在NameParser中采用不同的方法。运行基准测试在我的计算机上给出以下结果…

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此列表中的最后一项是我们原始的GetLastName方法。因为我们要求获得排名结果，并且此方法运行的最慢，所以它在最后显示出来。

这次大约花了125ns的时间运行，当然仍然分配了160个字节。

第二快的是我们尝试在不使用Span 的情况下改进代码的情况，该代码使用Substring。此代码比原始方法快大约3倍。重要的是，我们现在将分配减少到只有40个字节。这说明了我们在调用子字符串时要分配的姓氏字符串。

总的赢家是基于Span 的方法。这比我们的原始代码快10倍，比基于子字符串的方法快2.8倍。

这里真正重要的是，因为我们要对Span进行切片以查找姓氏的位置，并且还返回Span作为方法的输出，所以我们永远不会分配新的字符串。通过已分配的内存状态（现在为空）可以明显看出这一点。

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对于单个调用，节省的160个字节（或子字符串方法节省40个字节）并不庞大，但是在特定场景下上，节省的费用加起来了。

如果此代码需要在我维护的每天处理约2000万条消息的数据处理服务中运行，那么我们每天将节省3.2 GB的分配。这些可能是短暂的分配，但是即使如此，它们仍将导致垃圾回收。根据估算的Gen 0 / 1k操作数（译者注，是指0代回收，每次回收1k字节），原始代码每天将触发2,000个操作，共506个GC。

这是CPU时间和暂停时间，我们可以通过避免分配任何资源来帮助减少时间。

摘要

在本文中，我们研究了新的Span 类型，并使用它重构了一些代码以实现最佳性能。最初，Span听起来可能有点复杂，但正如我希望我已经展示的那样，在本示例中使用它非常简单。

谢谢阅读！

如果您想了解有关高性能.NET和C＃代码的更多信息，可以在此处^[7]查看我的完整博客文章系列。

References

[1] 有关编写高性能C＃代码的系列文章: https://www.stevejgordon.co.uk/motivations-for-writing-high-performance-csharp-code
[2] 示例代码，可以在GitHub上找到: https://github.com/stevejgordon/BenchmarkAndSpanExample
[3] Span 结构: https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.span-1?view=netcore-2.2
[4] 有关Span的所有信息：探索新的.NET主体: https://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/mt814808.aspx
[5] C＃7.2：了解Span: https://channel9.msdn.com/Events/Connect/2017/T125
[6] Span By Adam Sitnik: https://adamsitnik.com/Span/
[7] 在此处: https://www.stevejgordon.co.uk/writing-high-performance-csharp-and-dotnet-code