透過Span實現高效能陣列，例項解析

架構師老盧發表於2023-12-01
陣列

Span<T> 是 C# 7.2 引入的一個強大的資料結構，用於表示記憶體中的一塊連續資料。它可以用於實現高效能的陣列操作，而無需額外的記憶體分配。在本文中，我將詳細介紹如何使用 Span<T> 來實現高效能陣列操作，並提供一些示例程式碼來說明其用法。

什麼是 Span？

Span<T> 是 System.Memory 名稱空間中的結構，用於表示記憶體中的一塊資料。它提供了一種可變檢視，允許對記憶體中的資料進行高效訪問，而無需複製或分配額外的記憶體。Span<T> 通常與堆疊分配的記憶體一起使用，以減少垃圾回收的開銷。

使用 Span 建立陣列

使用 Span<T> 建立陣列非常簡單。你可以透過以下方式建立一個 Span<T>：

T[] array = new T[length]; // 建立一個陣列
Span<T> span = new Span<T>(array); // 從陣列建立 Span<T>

或者更簡潔地：

Span<T> span = new Span<T>(new T[length]);

陣列操作

1. 初始化陣列

使用 Span<T> 可以高效地初始化陣列，例如，將所有元素設定為預設值：

Span<T> span = new Span<T>(new T[length]);
span.Fill(default); // 將所有元素設定為預設值

2. 複製和切片

Span<T> 使得切片和複製陣列變得非常高效。你可以透過 Slice 方法建立子 Span，或使用索引來訪問陣列的部分內容。

Span<T> subSpan = span.Slice(startIndex, length); // 建立子 Span
T element = span[index]; // 訪問陣列元素

3. 修改陣列元素

你可以直接在 Span<T> 上修改陣列元素的值，這將反映在原始陣列上：

span[index] = newValue; // 修改陣列元素的值

4. 陣列排序

Span<T> 也可以用於對陣列進行排序，例如，使用快速排序演算法：

span.Sort();

5. 搜尋元素

Span<T> 允許在陣列中高效地搜尋元素：

int index = span.IndexOf(value); // 查詢元素的索引

示例：查詢陣列中的最大值

下面是一個示例，演示如何使用 Span<T> 查詢陣列中的最大值。這個示例將對一個包含隨機整數的陣列進行操作，並找到最大值。

using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        int[] numbers = GenerateRandomArray(1000000);

        Span<int> span = new Span<int>(numbers);

        int max = FindMaxValue(span);

        Console.WriteLine($"最大值: {max}");
    }

    static int[] GenerateRandomArray(int length)
    {
        Random random = new Random();
        int[] array = new int[length];
        for (int i = 0; i < length; i++)
        {
            array[i] = random.Next(1000); // 生成隨機整數
        }
        return array;
    }

    static int FindMaxValue(Span<int> span)
    {
        int max = span[0];
        for (int i = 1; i < span.Length; i++)
        {
            if (span[i] > max)
            {
                max = span[i];
            }
        }
        return max;
    }
}

這個示例中，我們首先生成一個包含隨機整數的陣列，然後使用 Span<int> 建立一個 Span，並使用 FindMaxValue 函式查詢陣列中的最大值。

效能優勢

Span<T> 的效能優勢主要體現在以下幾個方面：

記憶體效率： 由於 Span<T> 可以直接引用記憶體中的資料，無需額外的記憶體分配，因此它在記憶體效率上非常高。

減少垃圾回收： 由於不需要建立臨時物件，Span<T> 可以顯著減少垃圾回收的壓力，尤其對於大型資料集來說。

並行性： Span<T> 可以在多執行緒環境下高效地進行操作，因為它可以避免資料競爭。

高效能演算法： 使用 Span<T> 可以編寫更高效能的演算法，例如排序和搜尋，因為它允許直接訪問記憶體中的資料。

Span<T> 是 C# 中用於高效能陣列操作的重要工具，它在記憶體效率和效能方面提供了顯著的優勢。如果你需要執行大規模資料操作或者想要避免不必要的記憶體分配，那麼 Span<T> 將成為你的有力助手。

 

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