使用高效能Pipelines構建.NET通訊程式
.NET Standard支援一組新的API，System.Span
Pipelines旨在解決.NET編寫Socket通訊程式時的很多困難 ，相信讀者也對此不勝其煩，使用stream模型進行程式設計，就算能夠解決，也是實在麻煩。
System.IO.Pipelines使用簡單的記憶體片段來管理資料，可以極大的簡化編寫程式的過程。關於Pipelines的詳細介紹，可以看看這裡。現在ASP.NET Core中使用的Kestrel已經在使用這個API。（話說這個東西貌似就是Kestrel團隊搞出來的。）
可能是直接需要用Socket場景有限（物聯網用的還挺多的），Pipelines相關的資料感覺不是很多。官方給出的示例是基於ASCII協議的，有固定結尾的協議，這裡我以物聯網裝置常用的BINARY二進位制自定義協議為例，講解基於Pipelines的程式套路。
System.IO.Pipelines
與基於Stream的方式不同，pipelines提供一個pipe，用於儲存資料，pipe中間儲存的資料有點連結串列的感覺，可以基於SequencePosition
進行slice操作，這樣就能得到一個ReadOnlySequence<T>
物件。reader可以進行自定義操作，並在操作完成之後告訴pipe已經處理了多少資料，整個過程是不需要進行記憶體複製操作的，因此效能得到了提升，還少了很多麻煩。可以簡單理解作為伺服器端，流程：
接受資料迴圈：接到資料->放pipe裡面->告訴pipe放了多少資料
處理資料迴圈：在pipe裡面找一條完整資料->交給處理流程->告訴pipe處理了多少資料
協議
有一款裝置，binary協議，資料包開頭0x75, 0xbd, 0x7e, 0x97一共4個位元組，隨後跟資料包長度2個位元組（固定2400位元組，不固定長度也可以參照），隨後是資料區。在裝置連線成功之後，資料主動從裝置傳送到PC。
關鍵程式碼
雖然是.NET Core平臺的，但是.NET FRAMEWORK 4.6.1上面也可以nuget安裝，直接
install-package system.io.pipelines
進行安裝就可以了。Socket相關處理的程式碼不再寫了，只列關鍵的。
程式碼第一步是宣告pipe。
private async void InitPipe(Socket socket)
{
Pipe pipe = new Pipe();
Task writing = FillPipeAsync(socket, pipe.Writer);
Task reading = ReadPipeAsync(socket, pipe.Reader);
await Task.WhenAll(reading, writing);
}
pipe有reader還有一個writer，reader負責讀取pipe資料，主要用在資料處理迴圈，writer負責將資料寫入pipe，主要用在資料接受迴圈。
//寫入迴圈
private async Task FillPipeAsync(Socket socket, PipeWriter writer)
{
//資料流量比較大，用1M位元組作為buffer
const int minimumBufferSize = 1024 * 1024;
while (running)
{
try
{
//從writer中，獲得一段不少於指定大小的記憶體空間
Memory<byte> memory = writer.GetMemory(minimumBufferSize);
//將記憶體空間變成ArraySegment，提供給socket使用
if (!MemoryMarshal.TryGetArray((ReadOnlyMemory<byte>)memory, out ArraySegment<byte> arraySegment))
{
throw new InvalidOperationException("Buffer backed by array was expected");
}
//接受資料
int bytesRead = await SocketTaskExtensions.ReceiveAsync(socket, arraySegment, SocketFlags.None);
if (bytesRead == 0)
{
break;
}
//一次接受完畢，資料已經在pipe中，告訴pipe已經給它寫了多少資料。
writer.Advance(bytesRead);
}
catch
{
break;
}
// 提示reader可以進行讀取資料，reader可以繼續執行readAsync()方法
FlushResult result = await writer.FlushAsync();
if (result.IsCompleted)
{
break;
}
}
// 告訴pipe完事了
writer.Complete();
}
//讀取迴圈
private async Task ReadPipeAsync(Socket socket, PipeReader reader)
{
while (running)
{
//等待writer寫資料
ReadResult result = await reader.ReadAsync();
//獲得記憶體區域
ReadOnlySequence<byte> buffer = result.Buffer;
SequencePosition? position = null;
do
{
//尋找head的第一個位元組所在的位置
position = buffer.PositionOf((byte)0x75);
if (position != null)
{
//由於是連續四個位元組作為head，需要進行比對，我這裡直接使用了ToArray方法，還是有了記憶體拷貝動作，不是很理想，但是寫起來很方便。
//對效能有更高要求的場景，可以進行slice操作後的單獨比對，這樣不需要記憶體拷貝動作
var headtoCheck = buffer.Slice(position.Value, 4).ToArray();
//SequenceEqual需要引用System.Linq
if (headtoCheck.SequenceEqual(new byte[] { 0x75, 0xbd, 0x7e, 0x97 }))
{
//到這裡，認為找到包開頭了（從position.value開始），接下來需要從開頭處擷取整包的長度，需要先判斷長度是否足夠
if (buffer.Slice(position.Value).Length >= 2400)
{
//長度足夠，那麼取出ReadOnlySequence，進行操作
var mes = buffer.Slice(position.Value, 2400);
//這裡是資料處理的函式，可以參考官方文件對ReadOnlySequence進行操作，文件裡面使用了span，那樣效能會好一些。我這裡簡單實用ToArray()操作，這樣也有了記憶體拷貝的問題，但是處理的直接是byte陣列了。
await ProcessMessage(mes.ToArray());
//這一段就算是完成了，從開頭位置，一整個包的長度就算完成了
var next = buffer.GetPosition(2400, position.Value);
//將buffer處理過的捨棄，替換為剩餘的buffer引用
buffer = buffer.Slice(next);
}
else
{
//長度不夠，說明資料包不完整，等下一波資料進來再拼接，跳出迴圈。
break;
}
}
else
{
//第一個是0x75但是後面不匹配，可能有資料傳輸問題，那麼需要捨棄第一個，0x75後面的位元組開始再重新找0x75
var next = buffer.GetPosition(1, position.Value);
buffer = buffer.Slice(next);
}
}
}
while (position != null);
//資料處理完畢，告訴pipe還剩下多少資料沒有處理（資料包不完整的資料，找不到head）
reader.AdvanceTo(buffer.Start, buffer.End);
if (result.IsCompleted)
{
break;
}
}
reader.Complete();
}
以上程式碼基本解決了以下問題：
- 資料接收不完整，找不到開頭結尾，導致資料大量丟棄，或者自己維護一個queue的程式碼複雜性
- 資料接收與處理的同步問題
- 一次性收到多條資料的情況
後記
本文只是解釋了pipeline處理的模式，對於茫茫多的ToArray方法，可以使用基於Span的操作進行優化（有時間就來填坑）。另外，如果在await ProcessMessage(mes.ToArray());
這裡，直接使用Task.Run(()=>ProcessMessage(mes);
代替的話，實測會出現莫名其妙的問題，很有可能是pipe執行快，在系統排程Task之前，已經將記憶體釋放導致的，如果需要優化這一塊的話，需要格外注意。