.Net Core中如何使用ref和Span<T>提高程序性能的实现代码


本文摘自PHP中文网,作者黄舟,侵删。

这篇文章主要介绍了.Net Core中使用ref和Span<T>提高程序性能的简单实现代码,需要的朋友可以参考下

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自由的选择,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:

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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。

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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)

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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:

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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:

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<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:

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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:

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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:

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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:

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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:

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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。

以上就是.Net Core中如何使用ref和Span<T>提高程序性能的实现代码的详细内容!

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