一:背景
1. 講故事
前段時間寫了幾篇 C# 漫文,評論留言中有很多朋友多次提到 Span,週末抽空看了下,確實是一個非常??的新結構,讓我想到了當年的WCF,它統一了.NET下各種零散的分散式技術,包括:.NET Remoteing,WebService,NamedPipe,MSMQ,而這裡的 Span 統一了 C# 程式中的三大塊記憶體訪問,包括:棧記憶體, 託管堆記憶體, 非託管堆記憶體,畫個圖如下:
接下來就和大傢俱體聊聊這三大塊的記憶體統一訪問。
二: 程式中的三大塊記憶體解析
1. 棧記憶體
大家應該知道方法內的區域性變數是存放在棧上的,而且每一個執行緒預設會被分配 1M 的記憶體空間,我舉個例子:
static void Main(string[] args)
{
int i = 10;
long j = 20;
List<string> list = new List<string>();
}
上面 i,j 的值都是存於棧上,list的堆上記憶體地址也是存於棧上,為了看個究竟,可以用 windbg 驗證一下:
0:000> !clrstack -l
OS Thread Id: 0x2708 (0)
Child SP IP Call Site
00000072E47CE558 00007ff89cf7c184 [InlinedCallFrame: 00000072e47ce558] Interop+Kernel32.ReadFile(IntPtr, Byte*, Int32, Int32 ByRef, IntPtr)
00000072E47CE558 00007ff7c7c03fd8 [InlinedCallFrame: 00000072e47ce558] Interop+Kernel32.ReadFile(IntPtr, Byte*, Int32, Int32 ByRef, IntPtr)
00000072E47CE520 00007FF7C7C03FD8 ILStubClass.IL_STUB_PInvoke(IntPtr, Byte*, Int32, Int32 ByRef, IntPtr)
00000072E47CE7B0 00007FF8541E530D System.Console.ReadLine()
00000072E47CE7E0 00007FF7C7C0101E DataStruct.Program.Main(System.String[]) [E:\net5\ConsoleApp2\ConsoleApp1\Program.cs @ 22]
LOCALS:
0x00000072E47CE82C = 0x000000000000000a
0x00000072E47CE820 = 0x0000000000000014
0x00000072E47CE818 = 0x0000018015aeab10
通過 clrstack -l
檢視執行緒棧,最後三行可以明顯的看到 0a -> 10, 14 -> 20 , 0xxxxxxb10 => list堆地址
,除了這些簡單型別,還可以在棧上分配複雜型別,這裡就要用到 stackalloc 關鍵詞, 如下程式碼:
int* ptr = stackalloc int[3] { 10, 11, 12 };
問題就在這裡,指標型別雖然靈活,但是做任何事情都比較繁瑣,比如說:
- 查詢某一個數是否在 int[] 中
- 反轉 int[]
- 剔除尾部的某一個數字(比如 12)
就拿第一個問題來說,操作指標的程式碼如下:
//指標接收
int* ptr = stackalloc int[3] { 10, 11, 12 };
//包含判斷
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
if (*ptr++ == 11)
{
Console.WriteLine(" 11 存在 陣列中");
}
}
後面的兩個問題就更加複雜了,既然 Span 是統一訪問,就應該用 Span 來接 stackalloc,程式碼如下:
Span<int> span = stackalloc int[3] { 10, 11, 12 };
//1. 是否包含
var hasNum = span.Contains(11);
//2. 反轉
span.Reverse();
//3. 剔除尾部
span.Trim(12);
這就很??了,你既不需要接觸指標,又能完成指標的大部分操作,而且還特別便捷,佩服,最後來驗證一下 int[] 是否真的在 執行緒棧 上。
0:000> !clrstack -l
000000ED7737E4B0 00007FF7C4EA16AD DataStruct.Program.Main(System.String[]) [E:\net5\ConsoleApp2\ConsoleApp1\Program.cs @ 28]
LOCALS:
0x000000ED7737E570 = 0x000000ed7737e4d0
0x000000ED7737E56C = 0x0000000000000001
0x000000ED7737E558 = 0x000000ed7737e4d0
0:000> dp 0x000000ed7737e4d0
000000ed`7737e4d0 0000000b`0000000c 00000000`0000000a
從 Locals 處的 0x000000ED7737E570 = 0x000000ed7737e4d0
可以看到 key / value 是非常相近的,說明在棧上無疑。
從最後一行 a,b,c 可看出對應的就是陣列中的 10,11,12。
2. 非託管堆記憶體
說到非託管記憶體,讓我想起了當年 C# 呼叫 C++ 的場景,程式碼到處充斥著類似下面的語句:
private bool SendMessage(int messageType, string ip, string port, int length, byte[] messageBytes)
{
bool result = false;
if (windowHandle != 0)
{
var bytes = new byte[Const.MaxLengthOfBuffer];
Array.Copy(messageBytes, bytes, messageBytes.Length);
int sizeOfType = Marshal.SizeOf(typeof(StClientData));
StClientData stData = new StClientData
{
Ip = GlobalConvert.IpAddressToUInt32(IPAddress.Parse(ip)),
Port = Convert.ToInt16(port),
Length = Convert.ToUInt32(length),
Buffer = bytes
};
int sizeOfStData = Marshal.SizeOf(stData);
IntPtr pointer = Marshal.AllocHGlobal(sizeOfStData);
Marshal.StructureToPtr(stData, pointer, true);
CopyData copyData = new CopyData
{
DwData = (IntPtr)messageType,
CbData = Marshal.SizeOf(sizeOfType),
LpData = pointer
};
SendMessage(windowHandle, WmCopydata, 0, ref copyData);
Marshal.FreeHGlobal(pointer);
string data = GlobalConvert.ByteArrayToHexString(messageBytes);
CommunicationManager.Instance.SendDebugInfo(new DataSendEventArgs() { Data = data });
result = true;
}
return result;
}
上面程式碼中的: IntPtr pointer = Marshal.AllocHGlobal(sizeOfStData);
和 Marshal.FreeHGlobal(pointer)
就用到了非託管記憶體,從現在開始你就可以用 Span 來接 Marshal.AllocHGlobal
分配的非託管記憶體啦!???,如下程式碼所示:
class Program
{
static unsafe void Main(string[] args)
{
var ptr = Marshal.AllocHGlobal(3);
//將 ptr 轉換為 span
var span = new Span<byte>((byte*)ptr, 3) { [0] = 10, [1] = 11, [2] = 12 };
//然後在 span 中可以進行各種操作了。。。
Marshal.FreeHGlobal(ptr);
}
}
這裡我也用 windbg 給大家看一下 未託管記憶體 在記憶體中是個什麼樣子。
0:000> !clrstack -l
OS Thread Id: 0x3b10 (0)
Child SP IP Call Site
000000A51777E758 00007ff89cf7c184 [InlinedCallFrame: 000000a51777e758] Interop+Kernel32.ReadFile(IntPtr, Byte*, Int32, Int32 ByRef, IntPtr)
000000A51777E758 00007ff7c4654dd8 [InlinedCallFrame: 000000a51777e758] Interop+Kernel32.ReadFile(IntPtr, Byte*, Int32, Int32 ByRef, IntPtr)
000000A51777E720 00007FF7C4654DD8 ILStubClass.IL_STUB_PInvoke(IntPtr, Byte*, Int32, Int32 ByRef, IntPtr)
000000A51777E9E0 00007FF7C46511D0 DataStruct.Program.Main(System.String[]) [E:\net5\ConsoleApp2\ConsoleApp1\Program.cs @ 26]
LOCALS:
0x000000A51777EA58 = 0x0000027490144760
0x000000A51777EA48 = 0x0000027490144760
0x000000A51777EA38 = 0x0000027490144760
0:000> dp 0x0000027490144760
00000274`90144760 abababab`ab0c0b0a abababab`abababab
最後一行的 0c0b0a
這就是低位到高位的 10,11,12 三個數,接下來從 Locals 處 0x000000A51777EA58 = 0x0000027490144760
可以看出,這個key,value 相隔十萬八千里,說明肯定不在棧記憶體中,繼續用 windbg 鑑別一下 0x0000027490144760
是否是託管堆上,可以用 !eeheap -gc 檢視託管堆地址範圍,如下程式碼:
0:000> !eeheap -gc
Number of GC Heaps: 1
generation 0 starts at 0x00000274901B1030
generation 1 starts at 0x00000274901B1018
generation 2 starts at 0x00000274901B1000
ephemeral segment allocation context: none
segment begin allocated size
00000274901B0000 00000274901B1000 00000274901C5370 0x14370(82800)
Large object heap starts at 0x00000274A01B1000
segment begin allocated size
00000274A01B0000 00000274A01B1000 00000274A01B5480 0x4480(17536)
Total Size: Size: 0x187f0 (100336) bytes.
------------------------------
GC Heap Size: Size: 0x187f0 (100336) bytes.
從上面資訊可以看到,0x0000027490144760 明顯不在:3代堆:00000274901B1000 ~ 00000274901C5370
和 大物件堆:00000274A01B1000 ~ 00000274A01B5480
區間範圍內。
3. 託管堆記憶體
用 Span 統一託管記憶體訪問那是相當簡單了,如下程式碼所示:
Span<byte> span = new byte[3] { 10, 11, 12 };
同樣,你有了Span,你就可以使用 Span 自帶的各種方法,這裡就不多介紹了,大家有興趣可以實操一下。
三: 總結
總的來說,這一篇主要是從思想上帶大家一起認識 Span,以及如何用 Span 對接 三大區域記憶體,關於 Span 的好處以及原始碼解析,後面上專門的文章吧!
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