用 Span 對 C# 進(jìn)程中三大內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一訪問 ，太厲害了！
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，周末抽空看了下，確實是一個非常??的新結(jié)構(gòu)，讓我想到了當(dāng)年的WCF，它統(tǒng)一了.NET下各種零散的分布式技術(shù)，包括：.NET Remoteing，WebService，NamedPipe，MSMQ，而這里的 Span 統(tǒng)一了 C# 進(jìn)程中的三大塊內(nèi)存訪問，包括：棧內(nèi)存， 托管堆內(nèi)存， 非托管堆內(nèi)存，畫個圖如下：
接下來就和大家具體聊聊這三大塊的內(nèi)存統(tǒng)一訪問。
二：進(jìn)程中的三大塊內(nèi)存解析
1. 棧內(nèi)存
大家應(yīng)該知道方法內(nèi)的局部變量是存放在棧上的,而且每一個線程默認(rèn)會被分配 1M 的內(nèi)存空間，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 的值都是存于棧上，list的堆上內(nèi)存地址也是存于棧上，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 查看線程棧，最后三行可以明顯的看到 0a -> 10, 14 -> 20 , 0xxxxxxb10 => list堆地址，除了這些簡單類型，還可以在棧上分配復(fù)雜類型，這里就要用到 stackalloc 關(guān)鍵詞， 如下代碼：
?int*?ptr?=?stackalloc?int[3]?{?10,?11,?12?};
問題就在這里，指針類型雖然靈活，但是做任何事情都比較繁瑣，比如說：
查找某一個數(shù)是否在 int[] 中 反轉(zhuǎn) int[] 剔除尾部的某一個數(shù)字(比如 12)
就拿第一個問題來說，操作指針的代碼如下：
????????????//指針接收
????????????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?數(shù)組中");
????????????????}
????????????}
后面的兩個問題就更加復(fù)雜了，既然 Span 是統(tǒng)一訪問，就應(yīng)該用 Span 來接 stackalloc，代碼如下:
????????????Span<int>?span =?stackalloc?int[3]?{?10,?11,?12?};
????????????//1.?是否包含
????????????var?hasNum?=?span.Contains(11);
????????????//2.?反轉(zhuǎn)
????????????span.Reverse();
????????????//3.?剔除尾部
????????????span.Trim(12);
這就很??了，你既不需要接觸指針，又能完成指針的大部分操作，而且還特別便捷，佩服，最后來驗證一下 int[] 是否真的在 線程棧 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。
從最后一行 a,b,c 可看出對應(yīng)的就是數(shù)組中的 10，11，12。
2. 非托管堆內(nèi)存
說到非托管內(nèi)存，讓我想起了當(dāng)年 C# 調(diào)用 C++ 的場景，代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;
????????}
上面代碼中的: IntPtr pointer = Marshal.AllocHGlobal(sizeOfStData); 和 Marshal.FreeHGlobal(pointer) 就用到了非托管內(nèi)存，從現(xiàn)在開始你就可以用 Span 來接 Marshal.AllocHGlobal 分配的非托管內(nèi)存啦！????，如下代碼所示：
????class?Program
????{
????????static?unsafe?void?Main(string[]?args)
????????{
????????????var?ptr?=?Marshal.AllocHGlobal(3);
????????????//將?ptr?轉(zhuǎn)換為?span
????????????var?span =?new?Span<byte>((byte*)ptr,?3)?{?[0]?=?10,?[1]?=?11,?[2]?=?12?};
????????????//然后在? span 中可以進(jìn)行各種操作了。。。
????????????Marshal.FreeHGlobal(ptr);
????????}
????}
這里我也用 windbg 給大家看一下 未托管內(nèi)存 在內(nèi)存中是個什么樣子。
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????????
最后一行的 0c0b0a ?這就是低位到高位的 10,11,12 三個數(shù)，接下來從 Locals 處 0x000000A51777EA58 = 0x0000027490144760 可以看出，這個key，value 相隔十萬八千里，說明肯定不在棧內(nèi)存中，繼續(xù)用 windbg 鑒別一下 0x0000027490144760 是否是托管堆上，可以用 !eeheap -gc 查看托管堆地址范圍，如下代碼：
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.
從上面信息可以看到，0x0000027490144760 明顯不在：3代堆：00000274901B1000 ~ 00000274901C5370 和 大對象堆：00000274A01B1000 ~ 00000274A01B5480 區(qū)間范圍內(nèi)。
3. 托管堆內(nèi)存
用 Span 統(tǒng)一托管內(nèi)存訪問那是相當(dāng)簡單了，如下代碼所示：
???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，這里就不多介紹了，大家有興趣可以實操一下。
三：總結(jié)
總的來說，這一篇主要是從思想上帶大家一起認(rèn)識 Span，以及如何用 Span 對接 三大區(qū)域內(nèi)存，關(guān)于 Span 的好處以及源碼解析，后面上專門的文章吧！