.Net Core技術研究-Span<T>和ValueTuple<T>
性能是.Net Core一個非常關鍵的特性，今天我們重點研究一下ValueTuple<T>和Span<T>.
一、方法的多個返回值的實現，看ValueTuple<T>
日常開發中，假如我們一個方法有多個返回值，我們可能會用Out出參，或者使用一個自定義類/匿名類型，或者Tuple<T>.
- Out出參可以使用，但是在編寫Async方法時不支持。
- 自定義類/匿名類型，需要我們根據返回值的結構，自定義一個類型，帶來性能開銷，同時增加了編碼工作量，同時需要考慮跨域序列化的問題。
- .Net Framework 4.0後引入了Tuple<T>元組，但是Item1，Item2,...不夠友好，方法調用方需要了解分別代表的含義。
現在我們看看ValueTuple<T>的實現
C# 7支持返回多個值的語言特性，我們寫兩個示例代碼Tuple<T>和ValueTuple<T>，對比一下：
1 /// <summary> 2 /// Tuple 3 /// </summary> 4 /// <returns></returns> 5 private Tuple<string, List<int>> GetValues() 6 {7 return new Tuple<string, List<int>>("C7", new List<int> { 1, 2, 3 }); 8 } 9 10 /// <summary> 11 /// ValueTuple 12 /// </summary> 13 /// <returns></returns> 14 private (string, List<int>) GetValuesN()15 { 16 return ("C7", new List<int> { 1, 2, 3 }); 17 }
Tuple的示例中，代碼聲明了一個Tuple元組，內存在托管堆上統一管理，GC垃圾回收在指定時機下回收。
ValueTuple示例中，編譯器生成的代碼使用的是ValueTuple，其本身就是一個struct，在棧上創建，這使我們既可以訪問這個返回值數據，同時確保在包含的數據結構上不需要做垃圾回收。
我們通過IL Spy看下編譯後的代碼：
上圖可以看到：
第一個方法GetValues，返回class [System.Runtime]System.Tuple`2<string, class [System.Collections]System.Collections.Generic.List`1<int32>>，一個類的實例
第二個方法GetValuesN，返回valuetype [System.Runtime]System.ValueTuple`2<string, class [System.Collections]System.Collections.Generic.List`1<int32>>，一個值類型的實例。
類是在托管堆中分配的 (由 CLR 跟蹤和管理，並受垃圾收集的管制，是可變的)，而值類型分配在堆棧上 (速度快且較少的開銷，是不可變的)。
System.ValueTuple 本身並沒有被 CLR 跟蹤，它只是作為我們使用的嵌入值的一個簡單容器。
ValueTuple<T>作為C#7.0支持方法多返回值，的確在底層實現上考慮了性能表現（內存），同時編碼上給我們帶來了更愉快的語法特性！
二、從字符串操作看Span<T>
大多數.Net開發場景，只使用到了托管堆（由CLR統一管理），其實.Net 有三種類型的內存可以使用，不過要看具體的使用場景。
- 棧內存：我們通常分配的值類型的內存空間，比如 int, double, bool，……它非常快 (通常在 CPU 的緩存中使用)，但大小有限 (通常小於 1 MB)。當然，有些開發人員會使用 stackalloc 關鍵字添加自定義對象，但要知道它們是有危險性的，因為在任何時間都可能發生 StackOverflowException，使我們的整個應用程序崩潰。
- 非托管內存：沒有垃圾收集器的內存空間，必須自己使用像 Marshal.AllocHGlobal 和 Marshal.FreeHGlobal 之類的方法預訂和釋放內存。
- 托管內存 / 托管堆：通過GC垃圾收集器釋放已經不再使用的內存空間，使我們大多數人都過著無憂無慮的程序員生活，很少有內存問題。
上述三種類型的內存，都有各自的優缺點，特點的使用場景。如果我們設計一個兼容支持上述三種類型的Lib，需要分別提供兩種實現，一種是支持托管堆的，一種是支持棧和非托管內存的。比如說SubString。
我們先看第一種支持托管推的SubString實現：
1 string Substring(string source, int startIndex, int length) 2 { 3 var result = new char[length]; 4 for (var i = 0; i < length; i++) 5 { 6 result[i] = source[startIndex + i]; 7 } 8 9 return new string(result); 10 }
上述方法內部聲明了新的string對象和字符數組，這無疑帶來了內存和CPU消息，實現的並不差，但是也不理想。
繼續看第二種支持棧和非托管內存的，使用 char*(是的，一個指針!) 和字符串的長度，並返回類似的指向結果的指針。實現上就有點小復雜了。
此時，我們看.Net Core新引入的System.Memory命名空間下的Span<T>. 首先它是一個值類型 (因此沒有被垃圾收集器跟蹤)，它試圖統一對任何底層內存類型的訪問。看一下它的內部結構：
// Constructor for internal use only. [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)] internal Span(ref T ptr, int length) { Debug.Assert(length >= 0); _pointer = new ByReference<T>(ref ptr); _length = length; } public ref T this[Index index] { get { // Evaluate the actual index first because it helps performance int actualIndex = index.GetOffset(_length); return ref this [actualIndex]; } }
不管我們是使用字符串、char[] 甚至是未管理的 char* 來創建一個 Span<T>, Span<T> 對象都提供了相同的函數，比如返回索引中的元素。可以把它看作是 T[]，其中 T 可以是任何類型的內存。
我們用Span<T>編寫一個 Substring() 方法
Span<char> SubString(Span<char> source, int startIndex, int length) { return source.Slice(startIndex, length); }
上述方法不返回源數據的副本，而是返回引用源的子集的 Span<T>，對比第一種SubString實現：沒有重復數據，沒有復制和復制數據的開銷。
總結一下：
.NetCore中通過引入諸如 System.ValueTuple and Span<T> 之類的類型，使. net 開發人員更自然地使用在運行時可用的不同類型的內存，同時避免與它們相關的常見缺陷。這種統一帶來了性能提升的同時，也簡化了我們日常的編碼。
周國慶
2019/3/24
.Net Core技術研究-Span<T>和ValueTuple<T>