C++20中的span容器及用法小结

时间:2023-03-23 Monkey Ji 人气:0

一.span容器

span 是 C++20 中引入的一个新的标准容器，它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。

span 是一个轻量级的非拥有式容器，它提供了对连续内存的引用。 span 的主要用途是作为函数参数，可以避免不必要的内存拷贝，并且可以防止悬垂指针和空指针引用的问题。

它的定义在头文件 <span> 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。

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

二.span的用法

下面是几种 span 的用法示例：

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

三.span的底层原理

下面为 span的简化版源码，用于展示其基本实现：

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。

四.span 与 array ,vector ，数组指针的区别

1. span 与 array ,vector的区别

span 是 C++20 中新增的一个轻量级容器，用于表示一段连续的内存区域，它不负责管理内存空间，也不会拥有所指向内存的所有权，只是提供一种方便的方式来操作内存区域，因此可以看做是一个只读的“裸指针”。

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。

总之，span、array 和 vector 三者各有所长，可以根据实际需求来选择使用。

2. span 与数组指针的区别

在C++中，数组和指针是密不可分的，它们常常被一起使用。然而，数组和指针不是相同的东西，它们有自己的属性和限制。同样地，span和指针也有很多区别，这里列举几点：

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。

总的来说，span比指针更安全，更灵活，更易于使用，是一种更好的数组容器类型。

五.span的优点

std::span 的主要优点如下：

轻量级：std::span 本身只是一个轻量级的非拥有式容器，没有自己的内存管理，因此可以在不分配内存的情况下轻松地传递和操作数据。同时，std::span 的内存布局与原始数组相同，因此不需要进行数据的复制或重排。

安全性：std::span 具有边界检查机制，可以避免访问越界等错误，从而提高代码的安全性。

可组合性：std::span 可以与其他容器类型进行组合，例如可以从 std::vector 或 std::array 中创建 std::span，或将 std::span 转换为 std::vector 或 std::array。

易于扩展：由于 std::span 只是一个非拥有式容器，因此可以轻松地将其用作接口的一部分，并以此扩展接口的功能。

总之，std::span 是一个非常实用的工具，可以方便地对数据进行访问和处理，同时也可以提高代码的可读性、可维护性和安全性。

具体一些相关的信息见：std::span - cppreference.com

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