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C#如何安全、高效地玩转任何种类的内存之Memory(三)

發(fā)布時(shí)間：2023/12/4 C# 37 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 C#如何安全、高效地玩转任何种类的内存之Memory(三) 小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

前言

我們都知道，.Net Core是微軟推出的一個(gè)通用開發(fā)平臺，它是跨平臺和開源的，由一個(gè).NET運(yùn)行時(shí)、一組可重用的框架庫、一組SDK工具和語言編譯器組成，旨在讓.Net developers可以更容易地編寫高性能的服務(wù)應(yīng)用程序和基于云的可伸縮服務(wù)，比如微服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、云原生等等；在這些場景下，對于內(nèi)存的消耗往往十分敏感，也十分苛刻；為了解決這個(gè)棘手問題，同時(shí)釋放應(yīng)用開發(fā)人員的精力，讓他們能夠安心地使用Net Core，而不用擔(dān)心這些應(yīng)用場景下的性能問題，故從.NET Core 2.1開始引進(jìn)了兩個(gè)新的旗艦類型：Span<T>?、Memory<T>?，使用它們可以避免分配緩沖區(qū)和不必要的數(shù)據(jù)復(fù)制。

前面已經(jīng)對span做了詳細(xì)地講解，所以今天主題是Memory，同樣以Why、What和How的方式緩緩道來，讓你知其然，更知其所以然。

Memory<T>是Span的補(bǔ)充，它是為了解決Span無法駐留到堆上而誕生的，可以說Span是Memory的奠基，故在讀這篇文章前，請先仔細(xì)品讀前面兩篇文章：

通俗易懂，C#如何安全、高效地玩轉(zhuǎn)任何種類的內(nèi)存之Span的本質(zhì)(一)。
通俗易懂，C#如何安全、高效地玩轉(zhuǎn)任何種類的內(nèi)存之Span的脾氣秉性(二)。

現(xiàn)在，作者就當(dāng)你已經(jīng)閱讀了前面的博客，并明白了Span的本質(zhì)（ref-like type）和秉性特點(diǎn)（stack-only）。

why - 為什么需要memory ?

span的局限性

span只能存儲到執(zhí)行棧上，保障操作效率與數(shù)組一樣高，并提供穩(wěn)定的生命周期。

span不能被裝箱到堆上，避免棧撕裂問題。

span不能用作泛型類型參數(shù)。

Span不能作為類的字段。

Span不能實(shí)現(xiàn)任何接口。

Span不能用于異步方法，因?yàn)闊o法跨越await邊界，所有無法跨異步操作暫留。

下面來看一個(gè)例子：

async Task DoSomethingAsync(Span<byte> buffer) {// 這里編譯器會提示報(bào)錯(cuò)，作為例子而已，請忽略。buffer[0] = 0; ? ?await Something(); // 異步方法會釋放當(dāng)前執(zhí)行棧，那么Span也被回收了。buffer[0] = 1; // 這里buffer將無法繼續(xù)。}

備注：C#編譯器和core運(yùn)行時(shí)內(nèi)部會強(qiáng)制驗(yàn)證Span的局限性，所以上面例子才會編譯不過。

正是因?yàn)檫@些局限性，確保了更高效、安全的內(nèi)存訪問。

也是因?yàn)檫@些局限性，無法用于需要將引用數(shù)據(jù)存儲到堆上的一些高級應(yīng)用場景，比如：異步方法、類字段、泛型參數(shù)、集合成員、lambda表達(dá)式、迭代器等。

還是因?yàn)檫@些局限性，增加了span對于高層開發(fā)人員的復(fù)雜性。

所以Memory<T>誕生了，作為span的補(bǔ)充，它就是目前的解決方案，沒有之一，也是高層開發(fā)人員日后使用最普遍的類型。

what - memory是什么 ?

和Span<T>一樣，也是sliceable type，但它不是ref-like type，就是普通的C#結(jié)構(gòu)體。這意味著，可以將它裝箱到堆上、作為類的字段或異步方法的參數(shù)、保存到集合等等，對于高層開發(fā)人員非常友好，嘿嘿，并且當(dāng)需要處理Memory底層緩沖區(qū)，即做同步處理時(shí)，直接調(diào)用它的Span屬性，同時(shí)又獲得了高效的索引能力。

備注：Memory<T>表示一段可讀寫的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域，ReadOnlyMemory表示一段只讀的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域。

static async Task<uint> ChecksumReadAsync(Memory<byte> buffer, Stream stream){ ? ?var bytesRead = await stream.ReadAsync(buffer); ? ?// 需要同步處理時(shí)，直接調(diào)用span屬性。return SafeSum(buffer.Span.Slice(0, bytesRead)); ? ?// 千萬不要這樣寫，除非你想要先持久化分片數(shù)據(jù)到托管堆上，但這又無法使用Span<T>實(shí)現(xiàn)；其次Memory <T>是一個(gè)比Span<T>更大的結(jié)構(gòu)體，切片往往相對較慢。//return SafeSum(buffer.Slice(0,bytesRead).Span());}static uint SafeSum(Span<byte> buffer){ ? ?uint sum = 0; ? ?foreach (var t in buffer){sum += t;} ? ?return sum; }

Memory核心設(shè)計(jì)

public readonly struct Memory<T> { ? ?private readonly object _object; //表示Memory能包裹的對象，EveryThing。private readonly int _index; ? ?private readonly int _length; public Span<T> Span { get; } // 實(shí)際的內(nèi)部緩沖區(qū)} ?

如前所述，Memory的目的是為了解決Span無法駐留到堆上的問題，也就是Memory代表的內(nèi)存塊并不會隨方法執(zhí)行棧的unwind而回收，也就是說它的內(nèi)部緩沖區(qū)是有生命周期的，并不是短暫的，這就是為什么字段_object的類型被設(shè)計(jì)成object，而不是類型化為T[]，就是為了通過傳遞IMemoryOwner來管理Span的生命周期，從而避免UAF（use-after-free）bug。

private static MemoryPool<byte> _memPool = MemoryPool<byte>.Shared;public async Task UsageWithLifeAsync(int size){ ? ?using (var owner = _memPool.Rent(size)) // 從池里租借一塊IMemoryOwner包裹的內(nèi)存。{ ? ? ? ?await DoSomethingAsync(owner.Memory); // 把實(shí)際的內(nèi)存借給異步方法使用。} // 作用域結(jié)束，存儲的Memory<T>被回收，這里是返回內(nèi)存池，有借有還，再借不難，嘿嘿。}// 不用擔(dān)心span會隨著方法執(zhí)行棧unwind而回收async Task DoSomethingAsync(Memory<byte> buffer) {buffer.Span[0] = 0; // 沒問題await Something(); // 跨越await邊界。buffer.Span[0] = 1; // 沒問題}

IMemoryOwner，顧名思義，Memory<T>擁有者，通過屬性Memory來表示，如下：

public interface IMemoryOwner<T> : IDisposable{Memory<T> Memory { get; } }

所以，可以使用IMemoryOwner來轉(zhuǎn)移Memory<T>內(nèi)部緩沖區(qū)的所有權(quán)，從而讓開發(fā)人員不必管理緩沖區(qū)。

關(guān)于如何優(yōu)雅地管理Memory<T>內(nèi)部緩沖區(qū)的生命周期，在設(shè)計(jì)時(shí)工程師們考慮過好幾種方案，比如：聯(lián)合標(biāo)識、自動引用計(jì)數(shù)(ARC)等，但最后還是選擇上面這種方案，即通過實(shí)現(xiàn)IMemoryOwner間接地重新獲得Memory<T>內(nèi)部緩沖區(qū)的控制權(quán)，其實(shí)每次都是創(chuàng)建一個(gè)新的Span，所以可以將Memory<T>視為Span<T>的工廠。

How - 如何運(yùn)用memory ?

如前所述，?Memory<T>其實(shí)就是Span<T>的heap-able類型，故它的API和span基本相同，如下：

public Memory(T[] array);public Memory(T[] array, int start, int length);public Memory<T> Slice(int start);// 支持sliceablepublic bool TryCopyTo(Memory<T> destination);

不同的是Memory<T>有兩個(gè)獨(dú)一無二的API，如下：

public MemoryHandle Pin(); // 釘住_object的內(nèi)存地址，即告知垃圾回收器不要回收它，我們自己管理內(nèi)存。public System.Span<T> Span { get; }// 當(dāng)_object字段為數(shù)組時(shí)，提供快速索引的能力。

和Span<T>一樣，通常Memory<T>都是包裹數(shù)組、字符串，用法也基本相同，只是應(yīng)用場景不一樣而已。

Memory<T>的使用指南：

同步方法應(yīng)該接受Span
參數(shù)，異步方法應(yīng)該接受Memory參數(shù)。
以Memory<T>作為參數(shù)無返回值的同步方法，方法結(jié)束后，不應(yīng)該再使用它。
以Memory<T>作為參數(shù)返回Task的異步方法，方法結(jié)束后，不應(yīng)該再使用它。
同一Memory<T>實(shí)例不能同時(shí)被多個(gè)消費(fèi)者使用。

所以啊，千萬不要將好東西用錯(cuò)地方了，聰明反被聰明誤，最后，弄巧成拙，嘿嘿。

總結(jié)

綜上所述，和Span<T>一樣，Memory<T>也是Sliceable type，它是Span無法駐留到堆上的解決方案。一般Span<T>由底層開發(fā)人員用在數(shù)據(jù)同步處理和轉(zhuǎn)換方面，而高層開發(fā)人員使用Memory<T>比較多，因?yàn)樗梢杂糜谝恍└呒壍膱鼍?#xff0c;比如：異步方法、類字段、lambda表達(dá)式、泛型參數(shù)等等。兩者的完美運(yùn)用就能夠支持無復(fù)制流動數(shù)據(jù)，這就是數(shù)據(jù)管道應(yīng)用場景(System.IO.Pipelines)。

到目前為止，作者花了三篇博客終于把這兩個(gè)旗艦類型講完了，相信認(rèn)真品讀這三篇博客的同學(xué)，一定會受益匪淺。后面的系列將講兩者的高級應(yīng)用場景，比如數(shù)據(jù)管道(Data Pipelines?)、不連續(xù)緩沖區(qū)(Discontiguous Buffers)、緩沖池(Buffer Pooling)、以及為什么讓Aspnet Core Web Server變得如此高性能等。
一圖勝千言，最新一期techempower web框架基準(zhǔn)測試：

最后

如果有什么疑問和見解，歡迎評論區(qū)交流。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C#如何安全、高效地玩转任何种类的内存之Memory(三)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。

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C#如何安全、高效地玩转任何种类的内存之Memory(三)

前言

why - 為什么需要memory ?

span的局限性

what - memory是什么 ?

Memory核心設(shè)計(jì)

How - 如何運(yùn)用memory ?

總結(jié)

最后

延伸閱讀

總結(jié)