.Net Core中如何使用ref和Span 提高程序性能的實現代碼

這篇文章主要介紹了.Net Core中使用ref和Span<T>提高程序性能的簡單實現代碼,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了解，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量引用和值引用的機制。
Span也是建立在ref語法基礎上的一個復雜的數據類型，在文章的后半部分，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語言中操作指針一樣，這樣的高級語法總是什么帶來一些副作用，但是我不認為這有什么，而且不是每一個C#開發者都要對這些內部運行的機制有着深刻的理解，我覺得不論什么復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兼容的。

來看幾個例子來說明引用與指針的相同性，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和非安全指針來完成參數+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 (引用本地變量)

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

 

這個例子中為本地 i 變量的引用 x, 當改變x的值時i變量的值也改變了。

2.ref returns (返回值引用)

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 程序集下。目前該特性是獨立的，將來可能會集成到CoreFx中；

如何使用呢？在.Net Core 2.0 SDK創建的項目下引用如下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針(T*)的操作單一值對象方式。基本上在.NET體系下操作指針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。但是單值只是用戶使用“指針”的一小部分需求；對於指針來說，更常見的情況是操作一系列連續的內存空間中的“元素”時。

Span表示為一個已知長度和類型的連續內存塊。許多方面講它非常類似T[]或ArraySegment，它提供安全的訪問內存區域指針的能力。其實我理解它更將是.NET中操作(void*)指針的抽象,熟悉C/C++開發者應該更明白這意味着什么。

Span的特點如下：

•抽象了所有連續內存空間的類型系統，包括：數組、非托管指針、堆棧指針、fixed或pinned過的托管數據，以及值內部區域的引用
•支持CLR標准對象類型和值類型
•支持泛型
•支持GC,而不像指針需要自己來管理釋放

下面來看下Span的定義，它與ref有着語法和語義上的聯系：

接下來我會用一個直觀的例子來說明Span的使用場景；我們以字符截取和字符轉換（轉換為整型）為例：

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 {...} }
 ...
}

 

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

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");

 

為什么使用這個例子呢，這是一個典型的substring的使用場景，每次操作string都會生成新的string對象,當然不光是Substring,在進行int.Parse時重復操作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");

 

 

轉換代碼如下：

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、最后

上述兩段代碼100000次調用的時間如下：

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

目前Span的相關支持還夠，它只是最基礎架構，之后CoreFx會對很多API使用Span進行重構和實現。可見.Net Core的性能日后會越來越強大。

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