.Net Core技術研究-Span和ValueTuple

性能是.Net Core一個很是關鍵的特性，今天咱們重點研究一下ValueTuple<T>和Span<T>.

1、方法的多個返回值的實現，看ValueTuple<T>

平常開發中，假如咱們一個方法有多個返回值，咱們可能會用Out出參，或者使用一個自定義類/匿名類型，或者Tuple<T>. 

• Out出參能夠使用，可是在編寫Async方法時不支持。
• 自定義類/匿名類型，須要咱們根據返回值的結構，自定義一個類型，帶來性能開銷，同時增長了編碼工做量，同時須要考慮跨域序列化的問題。
• .Net Framework 4.0後引入了Tuple<T>元組，可是Item1，Item2,...不夠友好，方法調用方須要瞭解分別表明的含義。

如今咱們看看ValueTuple<T>的實現

C# 7支持返回多個值的語言特性，咱們寫兩個示例代碼Tuple<T>和ValueTuple<T>，對比一下：

 1         /// <summary>
 2         /// Tuple
 3         /// </summary>
 4         /// <returns></returns>
 5         private Tuple<string, List<int>> GetValues()
 6         {
 7             return new Tuple<string, List<int>>("C7", new List<int> { 1, 2, 3 });
 8         }
 9 
10         /// <summary>
11         /// ValueTuple
12         /// </summary>
13         /// <returns></returns>
14         private (string, List<int>) GetValuesN()
15         {
16             return ("C7", new List<int> { 1, 2, 3 });
17         }

Tuple的示例中，代碼聲明瞭一個Tuple元組，內存在託管堆上統一管理，GC垃圾回收在指定時機下回收。

ValueTuple示例中，編譯器生成的代碼使用的是ValueTuple，其自己就是一個struct，在棧上建立，這使咱們既能夠訪問這個返回值數據，同時確保在包含的數據結構上不須要作垃圾回收。

咱們經過IL Spy看下編譯後的代碼：

上圖能夠看到：

第一個方法GetValues，返回class [System.Runtime]System.Tuple`2<string, class [System.Collections]System.Collections.Generic.List`1<int32>>，一個類的實例 

第二個方法GetValuesN，返回valuetype [System.Runtime]System.ValueTuple`2<string, class [System.Collections]System.Collections.Generic.List`1<int32>>，一個值類型的實例。

類是在託管堆中分配的 (由 CLR 跟蹤和管理，並受垃圾收集的管制，是可變的)，而值類型分配在堆棧上 (速度快且較少的開銷，是不可變的)。

System.ValueTuple 自己並無被 CLR 跟蹤，它只是做爲咱們使用的嵌入值的一個簡單容器。

ValueTuple<T>做爲C#7.0支持方法多返回值，的確在底層實現上考慮了性能表現（內存），同時編碼上給咱們帶來了更愉快的語法特性！

2、從字符串操做看Span<T>

大多數.Net開發場景，只使用到了託管堆（由CLR統一管理），其實.Net 有三種類型的內存能夠使用，不過要看具體的使用場景。

• 棧內存：咱們一般分配的值類型的內存空間，好比 int, double, bool，……它很是快 (一般在 CPU 的緩存中使用)，但大小有限 (一般小於 1 MB)。固然，有些開發人員會使用 stackalloc 關鍵字添加自定義對象，但要知道它們是有危險性的，由於在任什麼時候間均可能發生 StackOverflowException，使咱們的整個應用程序崩潰。
• 非託管內存：沒有垃圾收集器的內存空間，必須本身使用像 Marshal.AllocHGlobal 和 Marshal.FreeHGlobal 之類的方法預訂和釋放內存。
• 託管內存 / 託管堆：經過GC垃圾收集器釋放已經再也不使用的內存空間，使咱們大多數人都過着無憂無慮的程序員生活，不多有內存問題。

上述三種類型的內存，都有各自的優缺點，特色的使用場景。若是咱們設計一個兼容支持上述三種類型的Lib，須要分別提供兩種實現，一種是支持託管堆的，一種是支持棧和非託管內存的。好比說SubString。

咱們先看第一種支持託管推的SubString實現：

 1 string Substring(string source, int startIndex, int length)
 2 {
 3             var result = new char[length];
 4             for (var i = 0; i < length; i++)
 5             {
 6                 result[i] = source[startIndex + i];
 7             }
 8 
 9             return new string(result);
10 }

上述方法內部聲明瞭新的string對象和字符數組，這無疑帶來了內存和CPU消息，實現的並不差，可是也不理想。

繼續看第二種支持棧和非託管內存的，使用 char*(是的，一個指針!) 和字符串的長度，並返回相似的指向結果的指針。實現上就有點小複雜了。

此時，咱們看.Net Core新引入的System.Memory命名空間下的Span<T>. 首先它是一個值類型 (所以沒有被垃圾收集器跟蹤)，它試圖統一對任何底層內存類型的訪問。看一下它的內部結構：

  // Constructor for internal use only.
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
internal Span(ref T ptr, int length)
{
            Debug.Assert(length >= 0);

            _pointer = new ByReference<T>(ref ptr);
            _length = length;
}

 public ref T this[Index index]
{
            get
            {
                // Evaluate the actual index first because it helps performance
                int actualIndex = index.GetOffset(_length);
                return ref this [actualIndex];
            }
}

無論咱們是使用字符串、char[] 甚至是未管理的 char* 來建立一個 Span<T>, Span<T> 對象都提供了相同的函數，好比返回索引中的元素。能夠把它看做是 T[]，其中 T 能夠是任何類型的內存。

咱們用Span<T>編寫一個 Substring() 方法

Span<char> SubString(Span<char> source, int startIndex, int length)
 {
       return source.Slice(startIndex, length);
 }

上述方法不返回源數據的副本，而是返回引用源的子集的 Span<T>，對比第一種SubString實現：沒有重複數據，沒有複製和複製數據的開銷。

總結一下：

.NetCore中經過引入諸如 System.ValueTuple and Span<T> 之類的類型，使. net 開發人員更天然地使用在運行時可用的不一樣類型的內存，同時避免與它們相關的常見缺陷。這種統一帶來了性能提高的同時，也簡化了咱們平常的編碼。

 

周國慶

2019/3/24