在.NET开发中，内存管理一直是影响性能的关键因素。传统的字符串处理、数组操作等往往伴随着大量的内存分配和复制操作，这些不必要的开销在高性能场景下尤为明显。
为了解决这个问题，.NET Core 2.1引入了Span和Memory这两个强大的类型，它们能够：
- 显著减少内存分配
- 提升数据操作性能
- 安全地访问连续内存区域
- 支持多种内存来源的统一操作
Span：栈上分配的高性能利器
Span的本质
Span是一个栈分配的结构体(值类型)，它提供了一种不需要额外内存分配就能操作连续内存区域的方法。
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> span = numbers;
span[0] = 10;
Console.WriteLine(numbers[0]);
注意：数组堆上分配的引用类型，与Span还是有区别的，Span无GC压力。
Span与字符串处理
传统的字符串处理方法如Substring()会创建新的字符串实例，而使用Span可以避免这种额外的内存分配：
using System;class Program
{static void Main(){string orderData = "ORD-12345-AB: 已发货";// 传统方式 - 创建新的字符串对象string orderId1 = orderData.Substring(0, 11); // 分配新内存string status1 = orderData.Substring(13); // 再次分配新内存// 使用Span<T> - 不创建新的字符串对象ReadOnlySpan<char> dataSpan = orderData.AsSpan();ReadOnlySpan<char> orderId2 = dataSpan.Slice(0, 11); // 不分配新内存ReadOnlySpan<char> status2 = dataSpan.Slice(13); // 不分配新内存// 必要时才将Span转换为stringConsole.WriteLine($"订单号: {orderId2.ToString()}");Console.WriteLine($"状态: {status2.ToString()}");}
}
使用stackalloc与Span
Span可以直接与栈上分配的内存一起使用，避免堆分配的开销：
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;}// 获取Span起始位置的指针void* ptr = Unsafe.AsPointer(ref MemoryMarshal.GetReference(stackNums));Console.WriteLine($"Span内存地址: 0x{(ulong)ptr:X}");// 打印前10个元素var firstTen = stackNums.Slice(0, 10);foreach (var n in firstTen){Console.Write($"{n} ");}Console.ReadKey();}}
}
Span的关键特性
- 零内存分配操作数据时不创建额外的内存对象
- 类型安全提供类型检查，避免类型转换错误
- 可用于多种内存来源数组、固定大小缓冲区、栈分配内存、非托管内存等
- 性能优势适用于高性能计算和数据处理场景
- 限制只能在同步方法中使用，不能作为类的字段
Memory：异步操作的理想选择
Memory的定位
Memory是Span的堆分配版本，主要用于支持异步操作场景。
// Memory<T>的基本使用
Memory<int> memory = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
Span<int> spanFromMemory = memory.Span; // 从Memory获取Span视图
spanFromMemory[0] = 20;
Console.WriteLine(memory.Span[0]);
Memory与异步文件操作
Memory在处理异步I/O操作时特别有用：
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;namespace AppSpanMemory
{internal class Program{static async Task Main(){// 创建一个4KB的缓冲区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($"读取了 {bytesRead} 字节的数据");}static void ProcessData(Span<byte> data){Console.WriteLine($"前10个字节: {BitConverter.ToString(data.Slice(0, Math.Min(10, data.Length)).ToArray())}");}}
}
Memory的关键特性
- 异步友好可以在异步方法中使用
- 不绑定执行上下文可以在方法之间传递
- 可作为类字段可以存储在类中长期使用
- 性能略低相比Span有轻微的性能开销
- 更灵活可用于更多场景
Span与Memory的对比选择
特性 | Span<T> | Memory<T> |
分配位置 | 栈 | 堆 |
异步支持 | 不支持 | 支持 |
性能表现 | 更高 | 稍低 |
适用场景 | 同步高性能操作 | 异步操作、跨方法传递 |
可否作为字段 | 不可以 | 可以 |
生命周期 | 方法范围内 | 可长期存在 |
实战应用场景
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 = "张三,30,北京市海淀区,软件工程师";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] == ','){// 不创建新字符串ReadOnlySpan<char> field = line.Slice(start, i - start);ProcessField(fieldIndex, field);start = i + 1;fieldIndex++;}}// 处理最后一个字段if (start < line.Length){ReadOnlySpan<char> lastField = line.Slice(start);ProcessField(fieldIndex, lastField);}}private static void ProcessField(int index, ReadOnlySpan<char> field){Console.WriteLine($"字段 {index}: '{field.ToString()}'");}}
}
二进制数据处理
using System;
using System.Buffers.Binary;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Text;namespace AppSpanMemory
{internal class Program{static async Task Main(){string csvLine = "张三,30,北京市海淀区,软件工程师";byte[] payloadBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(csvLine);// 头部4字节 + 数据长度4字节 + 数据体byte[] fileData = new byte[4 + 4 + payloadBytes.Length];// 写入头部标识 "DATA"fileData[0] = (byte)'D';fileData[1] = (byte)'A';fileData[2] = (byte)'T';fileData[3] = (byte)'A';// 写入数据长度（小端）BinaryPrimitives.WriteInt32LittleEndian(fileData.AsSpan(4, 4), payloadBytes.Length);// 写入数据体payloadBytes.CopyTo(fileData.AsSpan(8));// 传入文件字节数据的只读切片ProcessBinaryFile(fileData);}public static void ProcessBinaryFile(ReadOnlySpan<byte> data){// [4字节头部标识][4字节数据长度][实际数据]if (data.Length < 8){thrownew ArgumentException("数据格式不正确");}// 检查头部标识"DATA"ReadOnlySpan<byte> header = data.Slice(0, 4);if (!(header[0] == 'D' && header[1] == 'A' && header[2] == 'T' && header[3] == 'A')){thrownew ArgumentException("无效的文件头");}// 读取数据长度 (小端字节序)int dataLength = BinaryPrimitives.ReadInt32LittleEndian(data.Slice(4, 4));// 确保数据完整if (data.Length < 8 + dataLength){thrownew ArgumentException("数据不完整");}// 获取实际数据部分ReadOnlySpan<byte> payload = data.Slice(8, dataLength);Console.WriteLine($"有效载荷大小: {payload.Length} 字节");Console.WriteLine($"前10个字节: {BitConverter.ToString(payload.Slice(0, Math.Min(10, payload.Length)).ToArray())}");}}
}
使用注意事项
安全使用Span的建议
- 不要尝试将Span作为字段存储
- 不要将Span用于异步方法
- 避免将Span装箱(boxing)
- 小心Span的生命周期管理，特别是使用stackalloc时
- 使用ReadOnlySpan表示不需要修改的数据
Memory的最佳实践
- 优先考虑ReadOnlyMemory而非Memory(当不需要修改数据时)
- 在异步操作中使用Memory替代数组
- 在需要长期保留引用时使用Memory而非Span
- 需要操作时才调用.Span属性，不要过早转换
兼容性与平台支持
Span和Memory支持情况：
- .NET Core 2.1及更高版本
- .NET Standard 2.1
- .NET 5/6/7/8及以后版本
- 不完全支持.NET Framework，但可通过System.Memory NuGet包获得部分支持
总结
Span和Memory是C#中处理高性能内存操作的强大工具，它们能够：
- 减少内存分配和GC压力通过避免不必要的内存分配和复制
- 提高性能特别是在处理大量数据和频繁字符串操作时
- 保持类型安全避免了使用unsafe代码和指针操作的风险
- 简化代码提供了直观的API来处理连续内存区域
在实际开发中，记住这些简单的选择规则：
- 对于同步方法中的高性能操作，选择Span
- 对于异步方法或需要跨方法传递的场景，选择Memory
掌握这两个强大的工具，将帮助你编写更高效、更可靠的C#代码，特别是在处理大数据量、高性能要求的应用场景中。
