杂谈.netcore的Buffer相关新类型

1 文章范围

本文将.netcore新出现的与Buffer操作相关的类型进行简单分析与讲解，由于资料有限，一些见解为个人见解，可能不是很准确。这些新类型将包括BinaryPrimitives、Span<>，Memory<>，ArrayPool<>，Memorypool<>

2 BinaryPrimitives

在网络传输中，最小单位是byte，很多场景，我们需要将int long short等类型与byte[]相互转换。比如，将int转换为BigEndian的4个字节，在过去，我们很容易就想到BitConverter，但BitConverter设计得不够好友，BitConverter.GetBytes(int value)得到的byte[]的字节顺序永远与主机的字节顺序一样，我们不得不再根据BitConverter的IsLittleEndian属性判断是否需要对得到byte[]进行转换字节顺序，而BinaryPrimitives的Api设计为严格区分Endian，每个Api都指定了目标Endian。

BitConverter

var intValue = 1;
var bytes = BitConverter.GetBytes(intValue);
if (BitConverter.IsLittleEndian == true)
{
    Array.Reverse(bytes);
}

BinaryPrimitives

var intValue = 1;
var bytes = new byte[sizeof(int)];
BinaryPrimitives.WriteInt32BigEndian(bytes, intValue);

3 Span<>

Span是一个高效的连续内存范围操作值类型，我们知道Array是一个连接的内存范围的引用类型，那为什么还需要Span类型呢？可以简单这么认为：Span除了提供更高性能的Array的读写功能之外，还提供了比ArraySegment更易于理解和使用的内存局部视图，也就是说Span功能包含了Array+ArraySegment的功能，我可以使用BenchmarkDotNet对比Span、Array和指针读写一个连接内存的性能比较，测试结果为Span>Pointer>Array：

读写代码

public class DemoContext
{
    private byte[] array = new byte[1024];

    [Benchmark]
    public void ByteArray()
    {            
        for (var i = 0; i < array.Length; i++)
        {
            array[i] = array[i];
        }
    }

    [Benchmark]
    public void ByteSpan()
    {
        var span = array.AsSpan();
        for (var i = 0; i < span.Length; i++)
        {
            span[i] = span[i];
        }
    }

    [Benchmark]
    unsafe public void BytePointer()
    {
        fixed (byte* pointer = &array[0])
        {
            for (var i = 0; i < array.Length; i++)
            {
                *(pointer + i) = *(pointer + i);
            }
        }
    }
}

Benchmark报告

|      Method |     Mean |   Error |  StdDev |
|------------ |---------:|--------:|--------:|
|   ByteArray | 577.4 ns | 9.07 ns | 8.48 ns |
|    ByteSpan | 323.8 ns | 0.87 ns | 0.81 ns |
| BytePointer | 499.4 ns | 4.09 ns | 3.82 ns |

Memory<>

如果尝试将Span<>作为全局变量，或在异步方法声明为变量，你会得到编译器的错误，原因不在本文讲解范围内，而Memory<>类型可以满足这些需求，Memory<>提供了用于数据读写的Span属性，这个Span属性是每将获取时都有一些计算，所以我们应该尽量避免多次获取它的Span属性。

合理的获取Span

var span = memory.Span;
for (var i = 0; i < span.Length; i++)
{
    span[i] = span[i];
}

不合理的获取Span

for (var i = 0; i < memory.Length; i++)
{
    memory.Span[i] = memory.Span[i];
}

Benchmark报告

|      Method |       Mean |    Error |   StdDev |
|------------ |-----------:|---------:|---------:|
| ByteMemory1 |   325.8 ns |  1.03 ns |  0.97 ns |
| ByteMemory2 | 3,344.9 ns | 11.91 ns | 11.14 ns |

ArrayPool<>

ArrayPool<>用于解决频繁申请内存和释放内存导致GC压力过大的场景，比如System.Text.Json在序列对象时为utf8的byte[]时，事先是无法计算最终byte[]的长度的，过程中可能要不断申请和调整缓冲区的大小。在没有ArrayPool加持的情况下，高频次的序列化，则会生产高频创建byte[]的过程，随之GC压力也会增大。ArrayPool的设计逻辑是，从pool申请一个指定最小长度的缓冲区，缓冲区在不需要的时候，将其返回到pool里，待以重复利用。

var pool = ArrayPool<byte>.Shared;
var buffer = pool.Rent(1024);
// 开始利用buffer
// ...
// 使用结束
pool.Return(buffer);

Rent用于申请，实际上是租赁，Return是归还，返回到池中。我们可以使用IDisposable接口来包装Return功能，使用上更方便一些：

/// <summary>
/// 定义数组持有者的接口
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
public interface IArrayOwner<T> : IDisposable
{
    /// <summary>
    /// 获取持有的数组
    /// </summary>
    T[] Array { get; }

    /// <summary>
    /// 获取数组的有效长度
    /// </summary>
    int Count { get; }
}

/// <summary>
/// 表示共享的数组池
/// </summary>
public static class ArrayPool
{
    /// <summary>
    /// 租赁数组
    /// </summary>
    /// <typeparam name="T">元素类型</typeparam>
    /// <param name="minLength">最小长度</param>
    /// <returns></returns>
    public static IArrayOwner<T> Rent<T>(int minLength)
    {
        return new ArrayOwner<T>(minLength);
    }

    /// <summary>
    /// 表示数组持有者
    /// </summary>
    /// <typeparam name="T"></typeparam>
    [DebuggerDisplay("Count = {Count}")]
    [DebuggerTypeProxy(typeof(ArrayOwnerDebugView<>))]
    private class ArrayOwner<T> :IDisposable, IArrayOwner<T>
    {
        /// <summary>
        /// 获取持有的数组
        /// </summary>
        public T[] Array { get; }

        /// <summary>
        /// 获取数组的有效长度
        /// </summary>
        public int Count { get; }

        /// <summary>
        /// 数组持有者
        /// </summary>
        /// <param name="minLength"></param> 
        public ArrayOwner(int minLength)
        {
            this.Array = ArrayPool<T>.Shared.Rent(minLength);
            this.Count = minLength;
        }

        /// <summary>
        /// 归还数组
        /// </summary>
        Public void Dispose()
        {
            ArrayPool<T>.Shared.Return(this.Array);
        }
    }

    /// <summary>
    /// 调试视图
    /// </summary>
    /// <typeparam name="T"></typeparam>
    private class ArrayOwnerDebugView<T>
    {
        [DebuggerBrowsable(DebuggerBrowsableState.RootHidden)]
        public T[] Items { get; }

        /// <summary>
        /// 调试视图
        /// </summary>
        /// <param name="owner"></param>
        public ArrayOwnerDebugView(IArrayOwner<T> owner)
        {
            this.Items = owner.Array.AsSpan(0, owner.Count).ToArray();
        }
    }
}

改造之后的使用

using var buffer = ArrayPool.Rent<byte>(1024);
// 尽情的使用buffer吧，自动回收

Memorypool<>

Memorypool<>本质上还是使用了ArrayPool<>，Memorypool只提供了Rent功能，返回一个IMomoryOwner<>，对其Dispose等同于Return过程，使用方式和我们上面改造过的ArrayPool静态类的使用方式是一样的。

MemoryMarshal静态类

MemoryMarshal是一个工具类，类似于我们指针操作时常常用到的Marshal类，它操作一些更底层的Span或Memory操作，比如提供将不同基元类型的Span相互转换等。

获取Span的指针

var span = new Span<byte>(new byte[] { 1, 2, 3, 4 });
ref var p0 = ref MemoryMarshal.GetReference(span);
fixed (byte* pointer = &p0)
{
    Debug.Assert(span[0] == *pointer);
}

Span泛型参数类型转换

Span<int> intSpan = new Span<int>(new int[] { 1024 });
Span<byte> byteSpan = MemoryMarshal.AsBytes(intSpan);

ReadonlyMemory<>转换为Memory

// 相当于给ReadonlyMemory移除只读功能
Memory<T> MemoryMarshal.AsMemory<T>(ReadonlyMemory<T> readonly)