什么是“跨度”，我应该什么时候使用？

Question

最近我收到了在我的代码中使用span<T> 的建议，或者在使用span 的网站上看到了一些答案——据说是某种容器。但是 - 我在 C++17 标准库中找不到类似的东西。

那么这个神秘的span<T> 是什么，如果它是非标准的，为什么（或何时）使用它是个好主意？

Answer 1

这是什么？

span<T> 是：

• 内存中某处T 类型的连续值序列的非常轻量级的抽象。
• 基本上是一个struct { T * ptr; std::size_t length; }，有一堆方便的方法。
• 非拥有类型（即 "reference-type" 而不是“值类型”）：它从不分配或取消分配任何东西，也不保持智能指针处于活动状态。

它以前称为array_view，更早时称为array_ref。

我应该什么时候使用它？

首先，当不使用它时：

• 不要在可能只使用任何一对开始和结束迭代器的代码中使用它，例如 std::sort、std::find_if、std::copy 以及所有这些超级通用的模板函数。
• 如果您有一个您知道适合您的代码的标准库容器（或 Boost 容器等），请不要使用它。它并不打算取代其中任何一个。

现在是什么时候实际使用它：

当分配的长度或大小也很重要时，使用span<T>（分别为span<const T>）而不是独立的T*（分别为const T*）。所以，替换如下函数：

void read_into(int* buffer, size_t buffer_size);

与：

void read_into(span<int> buffer);

我为什么要使用它？为什么这是一件好事？

哦，跨度太棒了！使用span...

• 意味着您可以使用指针+长度/开始+结束指针组合，就像使用花哨的、拉皮条的标准库容器一样，例如：

  • for (auto& x : my_span) { /* do stuff */ }
  • std::find_if(my_span.cbegin(), my_span.cend(), some_predicate);
  • std::ranges::find_if(my_span, some_predicate);（在 C++20 中）
    
    

  ...但绝对没有大多数容器类产生的开销。

• 有时让编译器为你做更多的工作。例如，这个：

  int buffer[BUFFER_SIZE];
  read_into(buffer, BUFFER_SIZE);
  

  变成这样：

  int buffer[BUFFER_SIZE];
  read_into(buffer);
  

  ...它将做你想做的事。另见Guideline P.5。

• 当您希望数据在内存中连续时，将const vector<T>& 传递给函数是合理的替代方法。再也不用被高大上的 C++ 大师骂了！

• 促进静态分析，因此编译器可能能够帮助您捕捉愚蠢的错误。

• 允许调试编译工具用于运行时边界检查（即span 的方法将在#ifndef NDEBUG ... #endif 中包含一些边界检查代码）

• 表示您的代码（使用跨度）不拥有指向的内存。

还有更多使用 spans 的动力，您可以在 C++ core guidelines 中找到它 - 但您会发现偏差。

但它在标准库中吗？

编辑：是的，std::span 已添加到 C++ 语言的 C++20 版本中！

为什么只在 C++20 中？好吧，虽然这个想法并不新鲜——它目前的形式是与 C++ core guidelines 项目一起构思的，该项目在 2015 年才开始形成。所以花了一段时间。

如果我写的是 C++17 或更早版本，我该如何使用它呢？

它是Core Guidelines 的支持库 (GSL) 的一部分。实现：

• Microsoft / Neil Macintosh 的 GSL 包含一个独立的实现：gsl/span
• GSL-Lite 是整个 GSL 的单头实现（没那么大，别担心），包括 span<T>。

GSL 实现通常假设一个实现 C++14 支持的平台 [11]。这些替代的单头实现不依赖于 GSL 工具：

• martinmoene/span-lite 需要 C++98 或更高版本
• tcbrindle/span 需要 C++11 或更高版本

请注意，这些不同的 span 实现在它们附带的方法/支持功能方面存在一些差异；它们也可能与 C++20 标准库中采用的版本有所不同。

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延伸阅读：您可以在 C++17 之前的最终官方提案中找到所有细节和设计注意事项，P0122R7：span: bounds-safe views for sequences of objects，作者是 Neal Macintosh 和 Stephan J. Lavavej。虽然有点长。此外，在 C++20 中，跨度比较语义发生了变化（遵循 Tony van Eerd 的 this short paper）。

Answer 2

span<T> 是这个：

template <typename T>
struct span
{
    T * ptr_to_array;   // pointer to a contiguous C-style array of data
                        // (which memory is NOT allocated or deallocated 
                        // by the span)
    std::size_t length; // number of elements of type `T` in the array

    // Plus a bunch of constructors and convenience accessor methods here
}

它是 C 风格数组的轻量级包装器，C++ 开发人员在使用 C 库并希望用 C++ 风格的数据容器包装它们以实现“类型安全”和“C++ 风格”时首选它和“感觉良好”。 :)

注意：我将上面定义的结构容器称为跨度，称为“围绕 C 样式数组的轻量级包装器”，因为它指向一块连续的内存，例如 C 样式数组，并用访问器方法和数组的大小包装它。这就是我所说的“轻量级包装器”的意思：它是指针和长度变量以及函数的包装器。

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更进一步：

@einpoklum 很好地介绍了span 是什么in his answer here。然而，即使在阅读了他的回答之后，对于 spans 新手来说，仍然很容易遇到一系列尚未完全回答的思路问题，例如：

1. span 与 C 数组有何不同？为什么不只使用其中之一？看起来它只是其中一种尺寸也众所周知的......
2. 等等，这听起来像std::array，span 和那个有什么不同？
3. 哦，这让我想起了，std::vector 不也和std::array 一样吗？
4. 我很困惑。 :(span 是什么？

所以，这里有一些额外的说明：

直接引用他的答案-我的补充和粗体的括号和我的斜体：

这是什么？

span<T> 是：

• 连续值序列在内存中某处的T 类型的非常轻量级的抽象。
• 基本上是一个single结构{ T * ptr; std::size_t length; }，带有一堆方便的方法。 （请注意，这与std::array<> 明显不同，因为span 通过指向类型T 的指针和长度（元素数) 类型为T，而std::array 是一个实际容器，其中包含一个或多个T 类型的值。)
• 一种非拥有类型（即"reference-type" 而不是“值类型”）：它从不分配或释放任何东西并且不保持智能指针活动.

它以前称为array_view，更早时称为array_ref。

那些粗体部分对一个人的理解至关重要，所以不要错过它们或误读它们！ span 不是结构的 C 数组，也不是 T 类型的 C 数组加上数组长度的结构（这本质上就是 std::array 容器 em> 是），它也不是指向类型 T 的指针结构加上长度的 C 数组，而是它是一个 single 结构，包含一个指向类型 @987654365 的单个 指针@ 和 length，它是T 类型指针指向的连续内存块中元素（T 类型）的数量！ 这样，您使用span 添加的唯一开销是用于存储指针和长度的变量，以及您使用的span 提供的任何便利访问器函数。

这是 UNLIKE a std::array<> 因为 std::array<> 实际上为整个连续块分配内存，它是 UNLIKE std::vector<> 因为 std::vector 基本上只是一个 std::array 也可以 动态每次填满时都会增长（通常大小翻倍），然后您尝试向其中添加其他内容。一个std::array的大小是固定的，一个span甚至不管理它指向的块的内存，它只是指向内存块，知道多长时间内存块知道内存中的 C 数组中的数据类型，并提供方便的访问器函数来处理该连续内存中的元素。

它是 C++ 标准的一部分：

std::span 是自 C++20 起的 C++ 标准的一部分。您可以在此处阅读其文档：https://en.cppreference.com/w/cpp/container/span。要了解如何在 C++11 或更高版本中使用 Google 的 absl::Span<T>(array, length)今天，请参阅下文。

摘要说明和主要参考文献：

1. std::span<T, Extent> (Extent = "序列中元素的数量，或者 std::dynamic_extent 如果是动态的"。跨度只是指向内存并使其易于访问，但不管理它!):
2. https://en.cppreference.com/w/cpp/container/span
3. std::array<T, N>（注意它有一个固定大小N！）：
4. https://en.cppreference.com/w/cpp/container/array
5. http://www.cplusplus.com/reference/array/array/
6. std::vector<T>（根据需要自动动态增长）：
7. https://en.cppreference.com/w/cpp/container/vector
8. http://www.cplusplus.com/reference/vector/vector/

今天如何在 C++11 或更高版本中使用span？

Google 以“Abseil”库的形式开源了他们内部的 C++11 库。该库旨在提供 C++14 到 C++20 以及在 C++11 和更高版本中工作的功能，以便您可以在今天使用明天的功能。他们说：

与 C++ 标准的兼容性

Google 开发了许多抽象，这些抽象与 C++14、C++17 及更高版本中包含的功能相匹配或紧密匹配。使用这些抽象的 Abseil 版本，您现在可以访问这些功能，即使您的代码还没有准备好在 C++11 后的世界中生存。

以下是一些关键资源和链接：

1. 主站：https://abseil.io/
2. https://abseil.io/docs/cpp/
3. GitHub 存储库：https://github.com/abseil/abseil-cpp
4. span.h 标头和absl::Span<T>(array, length) 模板类：https://github.com/abseil/abseil-cpp/blob/master/absl/types/span.h#L153

其他参考资料：

1. Struct with template variables in C++
2. Wikipedia: C++ classes
3. default visibility of C++ class/struct members

相关：

1. [我关于模板和跨度的另一个答案]How to make span of spans