C#怎么使用Span和Memory C#高性能内存操作指南

Span和Memory是C#7.2引入的高性能内存抽象，前者为栈上零分配视图，后者为可跨作用域的托管视图，二者均避免堆分配、减少GC压力，提升数据处理效率。

Span 和 Memory 是 C# 7.2 引入的核心高性能内存抽象类型，专为避免堆分配、减少 GC 压力、提升数据处理效率而设计。它们不是“替代数组”，而是更安全、更灵活的“内存视图”——能指向栈内存、堆数组、本机内存甚至只读数据，且全程不触发装箱或额外拷贝。

Span：栈友好的零分配切片工具

Span 是 ref-like 类型，只能在栈上声明（如局部变量、方法参数），不能作为字段、不能被装箱、不能跨 await 边界。它的价值在于对已有内存做“零成本切片”和“就地操作”。

• 从数组创建：Span span = Array.AsSpan(); —— 不复制，只是引用起始地址+长度
• 切片操作：span.Slice(2, 5) —— O(1) 时间，返回新 Span，原数据不动
• 配合 stackalloc：Span buffer = stackalloc byte[256]; —— 栈上分配，无 GC 开销
• 写入字符串字节（UTF8）：Utf8Encoder.Encode(buffer, “hello”, out int written);

Memory：可跨作用域的托管内存视图

Memory 是 Span 的“托管友好版”，可作为字段、参数、返回值，甚至用于 async 方法。它背后封装了 IMemoryOwner 或数组等资源，但本身不拥有内存。

• 从数组创建：Memory mem = array; 或 array.AsMemory()
• 获取可写 Span：Span span = mem.Span; —— 安全转为栈视图操作
• 异步场景示例：async Task ProcessAsync(Memory data) —— 调用方传入，方法内用 .Span 处理
• 注意：Memory 本身不可序列化，也不直接暴露指针，安全性高于裸指针

常见高性能组合模式

真实项目中，Span/Memory 往往和特定 API 协同使用，才能释放最大效能。

• 字符串解析（不用 Split/ToArray）：用 ReadOnlySpan 遍历、IndexOf、Slice，跳过所有字符串分配
• 二进制协议处理：Socket.ReceiveAsync 返回 Memory，直接用 BinaryPrimitives 读取 int/long，避免 ArraySegment 封装开销
• 池化 + Memory：搭配 ArrayPool.Shared.Rent() 获取数组 → 转为 Memory → 处理完 Return()，复用缓冲区
• 只读场景优先用 ReadOnlySpan/ReadOnlyMemory：编译器会阻止意外写入，语义清晰，性能一致

必须避开的坑

Span 和 Memory 强大，但违反规则会导致编译失败或运行时异常（如 System.SpanHelpers.ThrowinvalidOperationIfNotInitialized）。

• Span 不能存为类字段 —— 编译器直接报错：“Cannot declare a variable of type ‘Span‘ in a context where it cannot be used”
• 不能在 async 方法中 await 后继续用之前捕获的 Span —— 因为可能跨栈帧，生命周期失控；应改用 Memory
• stackalloc 分配过大（如 >1MB）可能栈溢出 —— 生产环境慎用超大 stackalloc，优先考虑 ArrayPool
• 不要把 Span 暴露给不受信代码 —— 它可绕过部分数组边界检查（虽仍受 CLR 内存保护）

基本上就这些。Span 和 Memory 不是炫技工具，而是当你真在处理高频日志解析、网络包拆包、图像像素遍历、jsON 流式反序列化等场景时，最值得投入理解的底层利器。用对了，性能提升常是 2–5 倍，GC 次数直线下降。