【.NET】Span和Memory：高性能代码的基础知识

前言

写业务代码时，大部分性能问题出在数据库、网络和序列化上，字符串和数组的分配通常不值得优化。但在解析协议、处理文件、写通用库和热路径接口时，每一次多余的分配都会变成 GC 压力。Span<T> 和 Memory<T> 是 .NET 里处理这类问题的标准工具。

本文只讲语言和运行时层面的通用用法，不依赖任何具体项目框架。示例基于 .NET 8。

一、Span<T> 是什么

Span<T> 是一段连续内存的「视图」：它自己不持有内存，只描述从哪里开始、有多长。可以从数组、字符串、栈内存创建：

int[] numbers = [1, 2, 3, 4, 5];

Span<int> slice = numbers.AsSpan(1, 3); // 2,3,4
slice[0] = 20;                          // 修改会影响原数组

Console.WriteLine(numbers[1]);          // 20

切片不复制数据，创建 Span 的成本接近于零。这是它和 Substring、数组拷贝最大的区别。

二、ref struct 与使用限制

Span<T> 是 ref struct，只能存在于栈上：不能作为类的字段、不能放进 List、不能跨 async 方法保存。这些限制换来的是运行时不需要额外检查就能保证内存安全。

// 编译错误：Span 不能保存到字段
// class Parser {{ private Span<byte> _buffer; }}

// 编译错误：不能跨 await 使用
// async Task Parse(Span<byte> data) {{ await Task.Yield(); }}

需要在 async 方法之间传递缓冲区时，就用 Memory<T>。

经验法则：同步代码用 Span，跨 await 的代码用 Memory，公开 API 参数优先用 ReadOnlySpan 或 ReadOnlyMemory。

三、Memory<T> 与 async 场景

Memory<T> 是 Span<T> 的「可以放在堆上」的版本，代价是每次使用时要先切片成 Span：

async Task ReadAsync(Memory<byte> buffer)
{{
    int read = await stream.ReadAsync(buffer);
    Span<byte> span = buffer.Span[..read];
    Process(span);
}}

四、最常用的场景：字符串解析

不用 Substring 逐段切字符串，而是用 ReadOnlySpan 一次解析：

string line = "192.168.1.10:8080";

ReadOnlySpan<char> span = line.AsSpan();
int sep = span.IndexOf(':');

ReadOnlySpan<char> ip = span[..sep];
int port = int.Parse(span[(sep + 1)..]);

Console.WriteLine($"{{ip.ToString()}}:{{port}}");

整个过程没有中间字符串分配。解析量大的日志、协议报文场景下差距明显。

五、stackalloc 与缓冲区复用

短小的临时缓冲区可以直接分配在栈上，用完随栈帧释放，不给 GC 添活：

Span<char> buffer = stackalloc char[64];
value.TryFormat(buffer, out int written, "F2");
string result = buffer[..written].ToString();

栈空间有限，stackalloc 一般不超过几百字节。更大的临时缓冲区用 ArrayPool<T> 租借，用完必须 Return，否则池会被耗尽。

byte[] rented = ArrayPool<byte>.Shared.Rent(4096);
try
{{
    // 使用 rented[0..actualLength]
}}
finally
{{
    ArrayPool<byte>.Shared.Return(rented);
}}

六、Span 与 Memory 的选择

场景	选择	原因
同步方法内切片、解析	Span<T>	零分配、访问最快
跨 await 传递缓冲区	Memory<T>	可以存到字段或局部变量跨挂起点
公开 API 只读参数	ReadOnlySpan<T>	表达只读语义，数组字符串都能隐式转换
长期持有或缓存	数组本身 / IMemoryOwner<T>	Span 不能上堆，池化内存要显式管理