关于 Span 的一切：探索新的 .NET 明星: 3.什么是 Memory<T>，以及为什么你需要它？

3. 什么是 Memory，以及为什么你需要它？

Span 是包含 ref 字段的仿 ref 类型，并且 ref 字段可以不止于类似数组的开始位置，还可以是中间位置：

var arr = new byte[100];
Span interiorRef1 = arr.AsSpan(start: 20);
Span interiorRef2 = new Span(arr, 20, arr.Length – 20);
Span interiorRef3 =
  MemoryMarshal.CreateSpan(arr, ref arr[20], arr.Length – 20);

这些引用被称为中间指针，跟踪它们对于 .NET 运行时的垃圾回收器来说是昂贵的操作。因此，运行时限制这些 ref 只能存在于堆栈，因为它提供了隐式的可能存在的中间指针数量的低限制。

进一步说，如前所展示的那样，Span 比机器的 word 类型尺寸更大，这意味着对 Span 的读、写操作不是原子操作。如果多个线程同时读、写同一个堆中的 Span 的字段，就会带来欲哭无泪的风险。想象一下一个已经初始化的 Span 包含一个有效的引用和一个相关的值为 50 的 _length 字段。一个线程开始在其上写新的 Span，并得到一个新的 _pointer 值。然后，在它设置相关的 _length 为 20 之前，第二个线程读取该 Span，它现在包含新的 _pointer 但是包含了旧的 _length 值。

因此，Span 实例只能在堆栈上存活，而不是堆上。这意味着你不能装箱 Span ( 因此对 Span 使用反射 API，因为这要求装箱操作 )。这意味着你不能在类中定义 Span 字段，甚至是非仿 ref 结构中。它意味着你不能在它们可能隐式成为类中字段的地方使用 Span，例如被捕获到 Lambda 或者在 async 方法中的本地变量，或者迭代器 ( 因为这些 locals 可能最终变成编译器生成的状态机字段 )。这也意味着你不能使用 Span 作为范型参数，因为该类型的实例参数可能最终被装箱，或者存储在堆上 ( 这也是当前没有 where T: ref struct 约束存在的原因 )。

这些限制对很多场景并不重要，特别是在计算密集和同步处理的函数中。但是异步函数就是另外一回事了。在本文开始引用的多数问题是围绕数组来的，数组切片、原生内存等等不管是同步还是异步都存在。然而，如果 Span 不能存储在堆中，也就不能跨异步操作被持久化，答案是什么呢？Memory。

Memory 看起来非常像 ArraySegment:

public readonly struct Memory
{
  private readonly object _object;
  private readonly int _index;
  private readonly int _length;
  ...
}

你可以通过数组来创建 Memory，并像在 Span 中一样进行切片，但是它是非仿 ref 结构，可以保存到堆中。而且，当你希望进行同步操作的时候，你可以通过它获得一个 Span，例如：

static async Task ChecksumReadAsync(Memory buffer, Stream stream)
{
  int bytesRead = await stream.ReadAsync(buffer);
  return Checksum(buffer.Span.Slice(0, bytesRead));
  // Or buffer.Slice(0, bytesRead).Span
}
static int Checksum(Span buffer) { ... }

与 Span 和 ReadOnlySpan 一样，Memory 也有一个只读的等价物：ReadOnlyMemory。如你所愿，它的 Span 属性返回一个 ReadOnlySpan。图 1 提供了在它们之间进行转换的内建支持的总结。

图 1 在 Span 相关的类型之间进行不分配内存/不复制的转换

来源 目标 机制
ArraySegment Memory Implicit cast, AsMemory method
ArraySegment ReadOnlyMemory Implicit cast, AsMemory method
ArraySegment ReadOnlySpan Implicit cast, AsSpan method
ArraySegment Span Implicit cast, AsSpan method
ArraySegment T[] Array property
Memory ArraySegment MemoryMarshal.TryGetArray method
Memory ReadOnlyMemory Implicit cast, AsMemory method
Memory Span Span property
ReadOnlyMemory ArraySegment MemoryMarshal.TryGetArray method
ReadOnlyMemory ReadOnlySpan Span property
ReadOnlySpan ref readonly T Indexer get accessor, marshaling methods
Span ReadOnlySpan Implicit cast, AsSpan method
Span ref T Indexer get accessor, marshaling methods
String ReadOnlyMemory AsMemory method
String ReadOnlySpan Implicit cast, AsSpan method
T[] ArraySegment Ctor, Implicit cast
T[] Memory Ctor, Implicit cast, AsMemory method
T[] ReadOnlyMemory Ctor, Implicit cast, AsMemory method
T[] ReadOnlySpan Ctor, Implicit cast, AsSpan method
T[] Span Ctor, Implicit cast, AsSpan method
void* ReadOnlySpan Ctor
void* Span Ctor

你会注意到，Memory 的 _object 字段不是强类型的 T[]; 而是存储了一个对象。这说明了 Memory 可以封装数组之外的数据，例如 System.Buffers.OwnedMemory。OwnedMemory 是一个抽象类，可以用来封装需要拥有自己的生命周期管理的数据，例如从池中获得的内存。这是比本文更为高级的话题，但是它展示了如何使用 Memory，例如，将指针封装到原生内存中。ReadOnlyMemory 也可以用于字符串，如同 ReadOnlySpan 一样。

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