📦 Span / ReadOnlySpan 速查

C# 7.2 引入 · 栈上类型安全内存视图 · 零分配切片 · 现代 .NET 高性能基石

一句话定义

Span vs ReadOnlySpan

五种内存来源

// ① 托管数组（堆上）——最常见
int[] arr = [1, 2, 3, 4, 5];
Span<int> s1 = arr.AsSpan();             // 整个数组
Span<int> s2 = arr.AsSpan(2, 3);         // 索引 2 起 3 个

// ② 栈上分配——stackalloc（无 GC）
Span<byte> buf = stackalloc byte[256];   // 栈上 256 字节，方法结束自动回收

// ③ 字符串——ReadOnlySpan<char>
ReadOnlySpan<char> sub = "Hello World".AsSpan(6, 5);  // "World"，零分配！

// ④ 非托管内存（native heap）
unsafe {
    void* ptr = NativeMemory.Alloc(1024);
    Span<byte> s = new Span<byte>(ptr, 1024);
}

// ⑤ UTF-8 字面量（C# 11）——编译期编码
ReadOnlySpan<byte> utf8 = "hello"u8;  // PE 数据段，零运行时开销

常用 API

// 范围语法（C# 8）——Span 原生支持
Span<int> s = arr.AsSpan();
var first3 = s[..3];      // 前 3 个
var last3 = s[^3..];     // 后 3 个
var middle = s[2..^1];   // 索引 2 到倒数第 2（不含）

最关键的约束：ref struct

// ❌ 典型错误
class MyBuffer {
    Span<byte> _data;  // CS8345: 字段不能是 ref struct
}

async Task<void> ProcessAsync() {
    Span<byte> buf = stackalloc byte[64];
    await Task.Delay(1);  // CS4012: ref struct 不能跨越 await
    buf[0] = 0xFF;
}

// ✅ 需要存储/跨 async → 用 Memory<T>
class MyBuffer {
    Memory<byte> _data;  // ✅ Memory 可以放堆上
}

async Task<void> ProcessAsync() {
    Memory<byte> mem = new byte[64];
    await Task.Delay(1);
    var span = mem.Span;  // 在 await 之后取 Span 使用
    span[0] = 0xFF;
}

Span 三兄弟：Span · Memory · ReadOnlySequence

String 操作：分配 vs 零分配对照

// 传统方式——每次都分配新字符串
var s = "Hello World";
var sub = s.Substring(6, 5);         // "World"——堆分配
var trimmed = s.Trim();               // 新字符串
var replaced = s.Replace('l', 'x');  // 新字符串

// Span 方式——零分配
ReadOnlySpan<char> span = "Hello World".AsSpan();
var sub2 = span.Slice(6, 5);          // 只是移动指针，零分配
var trimmed2 = span.Trim();           // 零分配

// ⚠️ 什么时候需要 ToString()？
// 传给接受 string 的 API 时——如 Console.WriteLine、Path.Combine、旧版 ORM

常见模式

① 解析分隔字符串（CSV、URL 路径等）

ReadOnlySpan<char> line = "Alice,30,Engineer";
int comma1 = line.IndexOf(',');
int comma2 = line.Slice(comma1 + 1).IndexOf(',') + comma1 + 1;

var name = line[..comma1];                    // "Alice"
var age = line[(comma1 + 1)..comma2];         // "30"
var role = line[(comma2 + 1)..];              // "Engineer"
// 整个过程零分配！

② 栈缓冲区替代小数组

// 旧：哪怕 32 字节也走堆
byte[] temp = new byte[32];

// 新：256 字节以下考虑栈
Span<byte> temp = stackalloc byte[32];
// 方法结束自动回收，GC 永远不知道它存在过

③ List Patterns 匹配 Span（C# 11）

ReadOnlySpan<int> nums = [1, 2, 3, 4, 5];
if (nums is [1, .., 5]) { }              // ✅ Span 原生支持 List Patterns
if (nums is [>= 0, >= 0, .., >= 0]) { } // 全部 ≥ 0

④ 从 ArrayPool 租用（超大临时缓冲）

byte[]? rented = null;
try {
    rented = ArrayPool<byte>.Shared.Rent(4096);
    Span<byte> buf = rented.AsSpan(0, 4096);  // Span 包装租用的数组
    // ... 处理 ...
} finally {
    if (rented != null) ArrayPool<byte>.Shared.Return(rented);
}

什么时候用 Span？

性能本质

ReadOnlySpan<char> s = str.AsSpan();
s = s.Trim();
s = s[1..^1];
// IL：几个 mov/lea/add 指令
// 没有 call new
// 没有 GC 跟踪

var s = str.Trim();
s = s.Substring(1, s.Length - 2);
// IL：call Substring
//     call FastAllocateString
//     每次分配新对象

版本演进

MemoryExtensions —— Span 的 LINQ

这些扩展方法都在 System.MemoryExtensions 类中，专门为 Span 设计——全部零分配：

// Span.Split ——零分配分割
ReadOnlySpan<char> csv = "a,b,c,d";
foreach (var segment in csv.Split(',')) {
    // segment 是 Range ——零分配！
    Console.WriteLine(csv[segment].ToString());  // 需要时才调用 ToString
}

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• 索引与范围Indices & Ranges— ^ 和 .. 在 Span 上原生工作
• 模式匹配Pattern Matching— List Patterns 支持 Span（C# 11）
• Lesson 10：C# 11— UTF-8 String Literals → ReadOnlySpan<byte>；List Patterns 匹配 Span
• 下一课：C# 12— Inline Arrays、Ref Readonly Parameters 等 Span 生态扩展

来自 Claude 老师速查系列 · 有疑问直接追问。
引用： Microsoft Learn: Span<T> · ReadOnlySpan<T> · ref struct · Memory and Span usage guidelines