.NET高性能編程 - C#如何安全、高效地玩轉任何種類的內存之Span的本質(一)。

前言

作為.net程序員,使用過指針,寫過不安全代碼嗎?

為什么要使用指針,什么時候需要使用它,以及如何安全、高效地使用它?

如果能很好地回答這幾個問題,那么就能很好地理解今天了主題了。C#構建了一個托管世界,在這個世界里,只要不寫不安全代碼,不操作指針,那么就能獲得.Net至關重要的安全保障,即什么都不用擔心;那如果我們需要操作的數據不在托管內存中,而是來自于非托管內存,比如位于本機內存或者堆棧上,該如何編寫代碼支持來自任意區域的內存呢?這個時候就需要寫不安全代碼,使用指針了;而如何安全、高效地操作任何類型的內存,一直都是C#的痛點,今天我們就來談談這個話題,講清楚 What、How 和 Why ,讓你知其然,更知其所以然,以后有人問你這個問題,就讓他看這篇文章吧,呵呵。

what - 痛點是什么?

回答這個問題前,先總結一下如何用C#操作任何類型的內存:

  1. 托管內存(managed memory )

    var mangedMemory = new Student();

    很熟悉吧,只需使用new操作符就分配了一塊托管內存,而且還不用手工釋放它,因為它是由垃圾收集器(GC)管理的,GC會智能地決定何時釋放它,這就是所謂的托管內存。默認情況下,GC通過復制內存的方式分代管理小對象(size < 85000 bytes),而專門為大對象(size >= 85000 bytes)開辟大對象堆(LOH),管理大對象時,并不會復制它,而是將其放入一個列表,提供較慢的分配和釋放,而且很容易產生內存碎片。

  2. 棧內存(stack memory )

    unsafe{
        var stackMemory = stackalloc byte[100];
    }

    很簡單,使用stackalloc關鍵字非??燜俚鼐頭峙浜昧艘豢?strong>棧內存,也不用手工釋放,它會隨著當前作用域而釋放,比如方法執行結束時,就自動釋放了。棧內存的容量非常?。?ARM、x86 和 x64 計算機,默認堆棧大小為 1 MB),當你使用棧內存的容量大于1M時,就會報StackOverflowException 異常 ,這通常是致命的,不能被處理,而且會立即干掉整個應用程序,所以棧內存一般用于需要小內存,但是又不得不快速執行的大量短操作,比如微軟使用棧內存來快速地記錄ETW事件日志。

  3. 本機內存(native memory )

    IntPtr nativeMemory0 = default(IntPtr), nativeMemory1 = default(IntPtr);
    try
    {
        unsafe
        {
            nativeMemory0 = Marshal.AllocHGlobal(256);
            nativeMemory1 = Marshal.AllocCoTaskMem(256);
        }
    }
    finally
    {
        Marshal.FreeHGlobal(nativeMemory0);
        Marshal.FreeCoTaskMem(nativeMemory1);
    }

    通過調用方法Marshal.AllocHGlobalMarshal.AllocCoTaskMem來分配非托管內存,非托管就是垃圾回收器(GC)不可見的意思,并且還需要手工調用方法Marshal.FreeHGlobal or Marshal.FreeCoTaskMem 釋放它,千萬不能忘記,不然就內存泄漏了。

拋磚引玉 - 痛點

首先我們設計一個解析完整或部分字符串為整數的API,如下

public interface IntParser
{
    // allows us to parse the whole string.
    int Parse(string managedMemory);

    // allows us to parse part of the string.
    int Parse(string managedMemory, int startIndex, int length);

    // allows us to parse characters stored on the unmanaged heap / stack.
    unsafe int Parse(char* pointerToUnmanagedMemory, int length);

    // allows us to parse part of the characters stored on the unmanaged heap / stack.
    unsafe int Parse(char* pointerToUnmanagedMemory, int startIndex, int length); 
}

從上面可以看到,為了支持解析來自任何內存區域的字符串,一共寫了4個重載方法。

接下來在來設計一個支持復制任何內存塊的API,如下

public interface MemoryblockCopier
{
    void Copy<T>(T[] source, T[] destination);
    void Copy<T>(T[] source, int sourceStartIndex, T[] destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, void* destination, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceStartIndex, void* destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceLength, T[] destination);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceStartIndex, T[] destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
}

腦袋蒙圈沒,以前C#操縱各種內存就是這么復雜、麻煩。通過上面的總結如何用C#操作任何類型的內存,相信大多數同學都能夠很好地理解這兩個類的設計,但我心里是沒底的,因為使用了不安全代碼和指針,這些操作是危險的、不可控的,根本無法獲得.net至關重要的安全保障,并且可能還會有難以預估的問題,比如堆棧溢出、內存碎片、棧撕裂等等,微軟的工程師們早就意識到了這個痛點,所以span誕生了,它就是這個痛點的解決方案。

how - span如何解決這個痛點?

先來看看,如何使用span操作各種類型的內存(偽代碼):

  1. 托管內存(managed memory )

    var managedMemory = new byte[100];
    Span<byte> span = managedMemory;
  2. 棧內存(stack memory )

    var stackedMemory = stackalloc byte[100];
    var span = new Span<byte>(stackedMemory, 100);
  3. 本機內存(native memory )

    var nativeMemory = Marshal.AllocHGlobal(100);
    var nativeSpan = new Span<byte>(nativeMemory.ToPointer(), 100);

span就像黑洞一樣,能夠吸收來自于內存任意區域的數據,實際上,現在,在.Net的世界里,Span就是所有類型內存的抽象化身,表示一段連續的內存,它的API設計和性能就像數組一樣,所以我們完全可以像使用數組一樣地操作各種內存,真的是太方便了。

現在重構上面的兩個設計,如下:

public interface IntParser
{
    int Parse(Span<char> managedMemory);
    int Parse(Span<char>, int startIndex, int length);
}
public interface MemoryblockCopier
{
    void Copy<T>(Span<T> source, Span<T> destination); 
    void Copy<T>(Span<T> source, int sourceStartIndex, Span<T> destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
}

上面的方法根本不關心它操作的是哪種類型的內存,我們可以自由地從托管內存切換到本機代碼,再切換到堆棧上,真正的享受玩轉內存的樂趣。

why - 為什么span能解決這個痛點?

淺析span的工作機制

先來窺視一下源碼:

我已經圈出的三個字段:偏移量、索引、長度(使用過ArraySegment<byte> 的同學可能已經大致理解到設計的精髓了),這就是它的主要設計,當我們訪問span表示的整體或部分內存時,內部的索引器會按照下面的算法運算指針(偽代碼):

ref T this[int index]
{
    get => ref ((ref reference + byteOffset) + index * sizeOf(T));
}

整個變化的過程,如圖所示:

上面的動畫非常清楚了吧,舊span整合它的引用和偏移成新的span的引用,整個過程并沒有復制內存,也沒有返回相對位置上存在的副本,而是直接返回實際存儲位置的引用,因此性能非常高,因為新span獲得并更新了引用,所以垃圾回收器(GC)知道如何處理新的span,從而獲得了.Net至關重要的安全保障,并且內部還會自動執行邊界檢查確保內存安全,而這些都是span內部默默完成的,開發人員根本不用擔心,非托管世界依然美好。
正是由于span的高性能,目前很多基礎設施都開始支持span,甚至使用span進行重構,比如:System.String.Substring方法,我們都知道此方法是非常消耗性能的,首先會創建一個新的字符串,然后再從原始字符串中復制字符集給它,而使用span可以實現Non-Allocating、Zero-coping,下面是我做的一個基準測試:

使用String.SubString和Span.Slice分別截取長度為10和1000的字符串的前一半,從指標Mean可以看出方法SubString的耗時隨著字符串長度呈線性增長,而Slice幾乎保持不變;從指標Allocated Memory/Op可以看出,方法Slice并沒有被分配新的內存,實踐出真知,可以預見Span未來將會成為.Net下編寫高性能應用程序的重要積木,應用前景也會非常地廣,微服務、物聯網、云原生都是它發光發熱的好地方。

基準測試示例

總結

從技術的本質上看,Span<T>是一種ref-like type類似引用的結構體;從應用的場景上看,它是高性能的sliceable type可切片類型;綜上所訴,Span是一種類似于數組的結構體,但具有創建數組一部分視圖,而無需在堆上分配新對象或復制數據的超能力。
看完本篇博客,如果理解了Span的What、Why、How,那么作者布道的目的就達到了,不懂的同學建議多讀幾遍,下一篇,我將會進一步暢談Span的脾氣秉性,讓大家能夠安全高效地使用好它。

補充

從評論區交流發現,有的同學誤解了span,表面上認為只是對指針的封裝,從而繞過unsafe帶來的限制,避免開發人員直接面對指針而已,其實不是,下面我們來看一個示例:

var nativeMemory = Marshal.AllocHGlobal(100);
Span<byte> nativeSpan;
unsafe {
nativeSpan = new Span<byte>(nativeMemory.ToPointer(), 100);
}
SafeSum(nativeSpan);
Marshal.FreeHGlobal(nativeMemory);

// 這里不關心操作的內存類型,即不用為一種類型寫一個重載方法,就好比上面的設計一樣。
static ulong SafeSum(Span<byte> bytes) {
ulong sum = 0;
for(int i=0; i < bytes.Length; i++) {
sum += bytes[i];
}
return sum;
}

看到了嗎,并沒有繞過unsafe,以前該如何用,現在還是一樣的,span解決的是下面幾點:

  1. 高性能,避免不必要的內存分配和復制。
  2. 高效率,它可以為任何具有無復制語義的連續內存塊提供安全和可編輯的視圖,極大地簡化了內存操作,即不用為每一種內存類型操作寫一個重載方法。
  3. 內存安全,span內部會自動執行邊界檢查來確保安全地讀寫內存,但它并不管理如何釋放內存,而且也管理不了,因為所有權不屬于它,希望大家要明白這一點。

它的目標是未來將成為.Net下編寫高性能應用程序的重要積木。

最后

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延伸閱讀

https://www.codemag.com/Article/1807051/Introducing-.NET-Core-2.1-Flagship-Types-Span-T-and-Memory-T

https://github.com/dotnet/coreclr/blob/master/src/System.Private.CoreLib/shared/System/Span.cs

https://blogs.msdn.microsoft.com/dotnet/2017/11/15/welcome-to-c-7-2-and-span

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.span-1?view=netcore-2.2

https://blog.marcgravell.com/2017/04/spans-and-ref-part-2-spans.html

https://github.com/dotnet/corefxlab/blob/master/docs/specs/span.md

https://blog.marcgravell.com/2017/04/spans-and-ref-part-1-ref.html

https://channel9.msdn.com/Events/Connect/2017/T125

https://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/mt814808

https://github.com/dotnet/BenchmarkDotNet/pull/492

https://github.com/dotnet/coreclr/issues/5851

https://github.com/joeduffy/slice.net

https://adamsitnik.com/Span

posted @ 2018-11-28 08:56 justmine 閱讀(...) 評論(...) 編輯 收藏