.Net Core中使用ref和Span提高程序性能的实现代码

一、前言

其实说到ref，很多同学对它已经有所了解，ref是c# 7.0的一个语言特性，它为开发人员提供了返回本地变量引用和值引用的机制。
span也是建立在ref语法基础上的一个复杂的数据类型，在文章的后半部分，我会有一个例子说明如何使用它。

二、ref关键字

不论是ref还是out关键，都是一种比较难以理解和操作的语言特性，如c语言中操作指针一样，这样的高级语法总是什么带来一些副作用，但是我不认为这有什么，而且不是每一个c#开发者都要对这些内部运行的机制有着深刻的理解，我觉得不论什么复杂的东西只是为人们提供了一个*的选择，风险和灵活性永远是不能兼容的。

来看几个例子来说明引用与指针的相同性，当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)++;
}

上面两个函数分别是使用ref和非安全指针来完成参数+1。

int i = 30;
incrementbyref(ref i);
// i = 31
unsafe{
 incrementbypointer(&i);
}
// i = 32

下面是c# 7.0提供的特性：

1.ref locals (引用本地变量)

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

这个例子中为本地 i 变量的引用 x, 当改变x的值时i变量的值也改变了。

2.ref returns (返回值引用)

ref returns是c# 7中一个强大的特性，下面代码是最能体现其特性的，该函数提供了，返回int数组中某一项的引用：

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

通过下标取得数组中的项目的引用，改变引用值时，数组也会随之改变。

三、span

system.span是.net core核心的一部分，在system.memory.dll 程序集下。目前该特性是独立的，将来可能会集成到corefx中；

如何使用呢？在.net core 2.0 sdk创建的项目下引用如下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>

在上面我们看到了使用ref关键字可以提供的类似指针(t*)的操作单一值对象方式。基本上在.net体系下操作指针都不认为是一件好的事件，当然.net为我们提供了安全操作单值引用的ref。但是单值只是用户使用“指针”的一小部分需求；对于指针来说，更常见的情况是操作一系列连续的内存空间中的“元素”时。

span表示为一个已知长度和类型的连续内存块。许多方面讲它非常类似t[]或arraysegment，它提供安全的访问内存区域指针的能力。其实我理解它更将是.net中操作(void*)指针的抽象,熟悉c/c++开发者应该更明白这意味着什么。

span的特点如下：

•抽象了所有连续内存空间的类型系统，包括：数组、非托管指针、堆栈指针、fixed或pinned过的托管数据，以及值内部区域的引用
•支持clr标准对象类型和值类型
•支持泛型
•支持gc,而不像指针需要自己来管理释放

下面来看下span的定义，它与ref有着语法和语义上的联系：

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 {...} }
 ...
}

接下来我会用一个直观的例子来说明span的使用场景；我们以字符截取和字符转换（转换为整型）为例：

如有一个字符串string content = "content-length:123",要转换将123转换为整型，通常的做法是先substring将与数字字符无关的字符串进行截断，转换代码如下：

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");

为什么使用这个例子呢，这是一个典型的substring的使用场景，每次操作string都会生成新的string对象,当然不光是substring,在进行int.parse时重复操作string对象，如果大量操作就会给gc造成压力。

使用span实现这个算法：

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");

这里将string转换为int的算法利用readonlyspan实现，这也是span的典型使用场景，官方给的场景也是如些，span适用于多次复用操作连续内存的场景。

转换代码如下：

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、最后

上述两段代码100000次调用的时间如下：

string substring convert:
  time elapsed: 18ms
readonlyspan convert:
  time elapsed: 4ms

目前span的相关支持还够，它只是最基础架构，之后corefx会对很多api使用span进行重构和实现。可见.net core的性能日后会越来越强大。

以上所述是小编给大家介绍的.net core中使用ref和span<t>提高程序性能的方法，希望对大家有所帮助