C++ 20-span容器

span 是 C++20 中引入的一个新的标准容器,它类似于C++ 17的std::string_view，我们知道std::string_view可以创建std::string的一个视图，视图本身并不拥有实例，它只是保持视图映射的状态。在不修改实例的情况下，使用std::string_view会让字符串处理的性能大幅提升。实际上，对于那些连续的序列对象我们都可以创建这样一份视图，对于std::vector这样的对象可以提高某些操作中的性能，另外对原生数组可以提高其访问的安全性。而 span 用于表示连续的一段内存区间，类似于一个轻量级的只读数组容器。

它的定义在头文件 中，并位于 std 命名空间中。span 包含了一个指向连续内存区域的指针以及它所占用的大小，可以通过它来访问这个内存区域中的元素。

过去如果一个函数想接受无法确定数组长度的数组作为参数，那么一定需要声明两个参数：数组指针和长度：

void set_data(int *arr, int len) {}

int main()
{
    int buf[128]{ 0 };
    set_data(buf, 128);
}

这种人工输入增加了编码的风险，数组长度的错误输入会引发程序的未定义行为，甚至是成为可被利用的漏洞。C++20标准库为我们提供了一个很好解决方案std::span，通过它可以定义一个基于连续序列对象的视图，包括原生数组，并且保留连续序列对象的大小。例如：

#include <iostream>
#include <span>
void set_data(std::span<int> arr) {
    std::cout << arr.size();
}

int main()
{
    int buf[128]{ 0 };
    set_data(buf);
}

除了原生数组，std::vector和std::array也在std::span的处理之列：

std::vector<int> buf1{ 1,2,3 };
std::array<int, 3> buf2{ 1, 2, 3 };
set_data(buf1);
set_data(buf2);

值得注意的是，std::span还可以通过构造函数设置连续序列对象的长度。

int buf[128]{ 0 };
set_data({ buf, 16 });

从std::string_view到std::span，我们可以看出C++标准库很乐于这种视图设计，因为这种设计和抽象的实现可以提高C ++程序的可靠性而又不牺牲性能和可移植性。

std::span的用法

span 主要用于以下场景：

• 作为函数的参数，用于指示函数需要处理的数据范围；
• 作为类的成员变量，用于表示对象所管理的内存区域；
• 作为数组的视图，用于访问数组的一部分

将数组转换为 span

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
span<int> s(arr, 5);

这里将一个整型数组 arr 转换为 span 类型，并使用数组首地址和元素个数作为参数。

使用 span 来遍历一个容器

vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
for (auto&& x : span(vec)) {
    cout << x << " ";
}

这里使用 span(vec) 来构造一个 span 对象，遍历其中的元素并输出。

使用 span 来获取子序列

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
span<int> s(arr, 5);
auto s1 = s.subspan(1, 3);

这里将一个 span 对象 s 分割为从第 1 个元素开始，长度为 3 的子序列，并将结果存储到 s1 中。

将 span 转换为其他容器类型

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
span<int> s(arr, 5);
vector<int> vec(s.begin(), s.end());

这里使用 s.begin() 和 s.end() 将 span 对象 s 转换为迭代器范围，并使用这个迭代器范围构造一个 vector 容器 vec。

span 的底层原理

template<typename T, std::size_t Extent = std::dynamic_extent>
class span {
public:
    // 定义迭代器类型
    using iterator = T*;
    using const_iterator = const T*;
 
    // 构造函数
    constexpr span() noexcept : data_(nullptr), size_(0) {}
    constexpr span(T* ptr, std::size_t count) : data_(ptr), size_(count) {}
    template <std::size_t N>
    constexpr span(T(&arr)[N]) noexcept : data_(arr), size_(N) {}
    template <typename Container>
    constexpr span(Container& c) noexcept : data_(c.data()), size_(c.size()) {}
 
    // 拷贝构造函数和拷贝赋值运算符
    constexpr span(const span& other) noexcept = default;
    span& operator=(const span& other) noexcept = default;
 
    // 访问元素和迭代器操作
    constexpr T* data() const noexcept { return data_; }
    constexpr std::size_t size() const noexcept { return size_; }
    constexpr bool empty() const noexcept { return size_ == 0; }
    constexpr T& operator[](std::size_t idx) const { return data_[idx]; }
    constexpr T& front() const { return data_[0]; }
    constexpr T& back() const { return data_[size_-1]; }
    constexpr iterator begin() const noexcept { return data_; }
    constexpr iterator end() const noexcept { return data_ + size_; }
    constexpr const_iterator cbegin() const noexcept { return data_; }
    constexpr const_iterator cend() const noexcept { return data_ + size_; }
 
private:
    T* data_;  // 元素指针
    std::size_t size_;  // 元素数量
};

具体实现方式是通过指针来引用连续的一段内存，从而实现 span 的基本功能。由于 span 没有实际的内存所有权，所以它不能拥有或释放内存。它只是提供了对现有内存块的访问。

标准库中的 span 还提供了一些其他的功能，比如对子区间的切片和子区间的迭代器等。实际的实现可能会更加复杂，但其基本的思想是一致的。

span 与 array ,vector ，数组指针 的区别

span 与 array ,vector的区别

与 array 和 vector 相比，span 的主要区别在于它不拥有自己的存储空间，而是引用了另一个数组或容器的内存空间。因此，当我们需要使用一个连续的内存块时，可以使用 span 来代替 array 或 vector。

具体来说，array 是一个固定大小的数组容器，其大小在编译时就确定了，不能动态改变。vector 是一个动态增长的数组容器，可以动态分配内存，并在需要时扩大容量。而 span 是一个非拥有型的容器，可以看作是一个指向连续内存区域的引用，可以指向任何类型的元素。

在使用方面，array 和 vector 可以用来存储数据，并通过下标或迭代器来访问其中的元素；span 则更多地用来表示一段内存区域，并提供类似于迭代器的操作来访问其中的元素（就是 只读），如 begin、end、rbegin、rend 等。

span 与 数组指针的区别

• span是一个封装了数组指针和长度的轻量级容器，它提供了对数组的安全访问。指针只是一个指向内存位置的地址，没有长度信息。因此，使用指针时需要显式地传递长度信息，否则可能会导致缓冲区溢出等问题;
• span支持范围操作，它可以使用STL中的算法和其他支持范围操作的库进行操作。指针只能通过指针运算和下标操作来访问和操作数据;
• span是可传递性的，可以传递到函数中作为参数，而指针不能。这是因为在函数中传递指针时，我们必须显式地传递指针所指向的内存块的大小，否则函数无法确定内存块的大小;
• span是一个类模板，可以指定数据类型和长度类型。指针只能指向特定类型的数据。

参考

• C++20中的span容器及用法小结
• 使用std::span代替数组指针传参