用Span对C#进程中三大内存区域进行统一访问，太厉害了！

一：背景

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1. 讲故事

前段时间写了几篇 C# 漫文，评论留言中有很多朋友多次提到 Span，周末抽空看了下，确实是一个非常的新结构，让我想到了当年的WCF，它统一了.NET下各种零散的分布式技术，包括：.NET Remoteing，WebService，NamedPipe，MSMQ，而这里的 Span 统一了 C# 进程中的三大块内存访问，包括：栈内存，托管堆内存，非托管堆内存，画个图如下：

接下来就和大家具体聊聊这三大块的内存统一访问。

二：进程中的三大块内存解析

1. 栈内存

大家应该知道方法内的局部变量是存放在栈上的,而且每一个线程默认会被分配 1M 的内存空间，我举个例子：

 
 
 
 
  
  
  
  static void Main(string[] args)
  
  
  
          {
  
  
  
              int i = 10;
  
  
  
              long j = 20;
  
  
  
              List list = new List();
  
  
  
          }

上面 i，j 的值都是存于栈上，list的堆上内存地址也是存于栈上，为了看个究竟，可以用 windbg 验证一下：

 
 
 
 
  
  
  
  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

通过 clrstack -l 查看线程栈，最后三行可以明显的看到 0a -> 10, 14 -> 20 , 0xxxxxxb10 => list堆地址，除了这些简单类型，还可以在栈上分配复杂类型，这里就要用到 stackalloc 关键词，如下代码：

 
 
 
 
  
  
  
  int* ptr = stackalloc int[3] { 10, 11, 12 };

问题就在这里，指针类型虽然灵活，但是做任何事情都比较繁琐，比如说：

查找某一个数是否在 int[] 中
反转 int[]
剔除尾部的某一个数字(比如 12)

就拿第一个问题来说，操作指针的代码如下：

 
 
 
 
  
  
  
  //指针接收
  
  
  
              int* ptr = stackalloc int[3] { 10, 11, 12 };
  
  
  
  
  
  
  
              //包含判断
  
  
  
              for (int i = 0; i < 3; i++)
  
  
  
              {
  
  
  
                  if (*ptr++ == 11)
  
  
  
                  {
  
  
  
                      Console.WriteLine(" 11 存在 数组中");
  
  
  
                  }
  
  
  
              }

后面的两个问题就更加复杂了，既然 Span 是统一访问，就应该用 Span 来接 stackalloc，代码如下:

 
 
 
 
  
  
  
  Span span = stackalloc int[3] { 10, 11, 12 };
  
  
  
  
  
  
  
              //1. 是否包含
  
  
  
              var hasNum = span.Contains(11);
  
  
  
  
  
  
  
              //2. 反转
  
  
  
              span.Reverse();
  
  
  
  
  
  
  
              //3. 剔除尾部
  
  
  
              span.Trim(12);

这就很了，你既不需要接触指针，又能完成指针的大部分操作，而且还特别便捷，佩服，最后来验证一下 int[] 是否真的在线程栈上。

 
 
 
 
  
  
  
  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

从 Locals 处的 0x000000ED7737E570 = 0x000000ed7737e4d0 可以看到 key / value 是非常相近的，说明在栈上无疑。

从最后一行 a,b,c 可看出对应的就是数组中的 10，11，12。

2. 非托管堆内存

说到非托管内存，让我想起了当年 C# 调用 C++ 的场景，代码到处充斥着类似下面的语句：

 
 
 
 
  
  
  
  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;
  
  
  
          }

上面代码中的: IntPtr pointer = Marshal.AllocHGlobal(sizeOfStData); 和 Marshal.FreeHGlobal(pointer) 就用到了非托管内存，从现在开始你就可以用 Span 来接 Marshal.AllocHGlobal 分配的非托管内存啦!，如下代码所示：

 
 
 
 
  
  
  
  class Program
  
  
  
      {
  
  
  
          static unsafe void Main(string[] args)
  
  
  
          {
  
  
  
              var ptr = Marshal.AllocHGlobal(3);
  
  
  
  
  
  
  
              //将 ptr 转换为 span
  
  
  
              var span = new Span((byte*)ptr, 3) { [0] = 10, [1] = 11, [2] = 12 };
  
  
  
  
  
  
  
              //然后在  span 中可以进行各种操作了。。。
  
  
  
  
  
  
  
              Marshal.FreeHGlobal(ptr);
  
  
  
          }
  
  
  
      }

这里我也用 windbg 给大家看一下未托管内存在内存中是个什么样子。

 
 
 
 
  
  
  
  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 这就是低位到高位的 10,11,12 三个数，接下来从 Locals 处 0x000000A51777EA58 = 0x0000027490144760 可以看出，这个key，value 相隔十万八千里，说明肯定不在栈内存中，继续用 windbg 鉴别一下 0x0000027490144760 是否是托管堆上，可以用 !eeheap -gc 查看托管堆地址范围，如下代码：

 
 
 
 
  
  
  
  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.

从上面信息可以看到，0x0000027490144760 明显不在：3代堆：00000274901B1000 ~ 00000274901C5370 和大对象堆：00000274A01B1000 ~ 00000274A01B5480 区间范围内。

3. 托管堆内存

用 Span 统一托管内存访问那是相当简单了，如下代码所示：

Span span = new byte[3] { 10, 11, 12 };

同样，你有了Span，你就可以使用 Span 自带的各种方法，这里就不多介绍了，大家有兴趣可以实操一下。

三：总结

总的来说，这一篇主要是从思想上带大家一起认识 Span，以及如何用 Span 对接三大区域内存，关于 Span 的好处以及源码解析，后面上专门的文章吧!

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