C++20中的span容器及用法小結

一.span容器

span 是 C++20 中引入的一個新的標準容器，它用於表示連續的一段記憶體區間，類似於一個輕量級的唯讀陣列容器。

span 是一個輕量級的非擁有式容器，它提供了對連續記憶體的參照。 span 的主要用途是作為函數引數，可以避免不必要的記憶體拷貝，並且可以防止懸垂指標和空指標參照的問題。

它的定義在標頭檔案 <span> 中，並位於 std 名稱空間中。span 包含了一個指向連續記憶體區域的指標以及它所佔用的大小，可以通過它來存取這個記憶體區域中的元素。

span 主要用於以下場景：

• 作為函數的引數，用於指示函數需要處理的資料範圍；
• 作為類的成員變數，用於表示物件所管理的記憶體區域；
• 作為陣列的檢視，用於存取陣列的一部分

二.span的用法

下面是幾種 span 的用法範例：

1.將陣列轉換為 span：

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

        這裡將一個整型陣列 arr 轉換為 span 型別，並使用陣列首地址和元素個數作為引數。

2.使用 span 來遍歷一個容器：

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

這裡使用 span(vec) 來構造一個 span 物件，遍歷其中的元素並輸出。

3.使用 span 來獲取子序列：

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

這裡將一個 span 物件 s 分割為從第 1 個元素開始，長度為 3 的子序列，並將結果儲存到 s1 中。

4.將 span 轉換為其他容器型別：

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

這裡使用 s.begin() 和 s.end() 將 span 物件 s 轉換為迭代器範圍，並使用這個迭代器範圍構造一個 vector 容器 vec。

三.span的底層原理

下面為 span的簡化版原始碼，用於展示其基本實現：

template<typename T, std::size_t Extent = std::dynamic_extent>
class span {
public:
    // 定義迭代器型別
    using iterator = T*;
    using const_iterator = const T*;
 
    // 建構函式
    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()) {}
 
    // 拷貝建構函式和拷貝賦值運運算元
    constexpr span(const span& other) noexcept = default;
    span& operator=(const span& other) noexcept = default;
 
    // 存取元素和迭代器操作
    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_;  // 元素指標
    std::size_t size_;  // 元素數量
};

具體實現方式是通過指標來參照連續的一段記憶體，從而實現 span 的基本功能。由於 span 沒有實際的記憶體所有權，所以它不能擁有或釋放記憶體。它只是提供了對現有記憶體塊的存取。

標準庫中的 span 還提供了一些其他的功能，比如對子區間的切片和子區間的迭代器等。實際的實現可能會更加複雜，但其基本的思想是一致的。

四.span 與 array ,vector ，陣列指標 的區別

1. span 與 array ,vector的區別

span 是 C++20 中新增的一個輕量級容器，用於表示一段連續的記憶體區域，它不負責管理記憶體空間，也不會擁有所指向記憶體的所有權，只是提供一種方便的方式來操作記憶體區域，因此可以看做是一個唯讀的“裸指標”。

與 array 和 vector 相比，span 的主要區別在於它不擁有自己的儲存空間，而是參照了另一個陣列或容器的記憶體空間。因此，當我們需要使用一個連續的記憶體塊時，可以使用 span 來代替 array 或 vector。

具體來說，array 是一個固定大小的陣列容器，其大小在編譯時就確定了，不能動態改變。vector 是一個動態增長的陣列容器，可以動態分配記憶體，並在需要時擴大容量。而 span 是一個非擁有型的容器，可以看作是一個指向連續記憶體區域的參照，可以指向任何型別的元素。

在使用方面，array 和 vector 可以用來儲存資料，並通過下標或迭代器來存取其中的元素；span 則更多地用來表示一段記憶體區域，並提供類似於迭代器的操作來存取其中的元素（就是 唯讀），如 begin、end、rbegin、rend 等。

總之，span、array 和 vector 三者各有所長，可以根據實際需求來選擇使用。

2. span 與 陣列指標的區別

在C++中，陣列和指標是密不可分的，它們常常被一起使用。然而，陣列和指標不是相同的東西，它們有自己的屬性和限制。同樣地，span和指標也有很多區別，這裡列舉幾點：

span是一個封裝了陣列指標和長度的輕量級容器，它提供了對陣列的安全存取。指標只是一個指向記憶體位置的地址，沒有長度資訊。因此，使用指標時需要顯式地傳遞長度資訊，否則可能會導致緩衝區溢位等問題。

span支援範圍操作，它可以使用STL中的演演算法和其他支援範圍操作的庫進行操作。指標只能通過指標運算和下標操作來存取和運算元據。

span是可傳遞性的，可以傳遞到函數中作為引數，而指標不能。這是因為在函數中傳遞指標時，我們必須顯式地傳遞指標所指向的記憶體塊的大小，否則函數無法確定記憶體塊的大小。

span是一個類別範本，可以指定資料型別和長度型別。指標只能指向特定型別的資料。

總的來說，span比指標更安全，更靈活，更易於使用，是一種更好的陣列容器型別。

五.span的優點

std::span 的主要優點如下：

輕量級：std::span 本身只是一個輕量級的非擁有式容器，沒有自己的記憶體管理，因此可以在不分配記憶體的情況下輕鬆地傳遞和運算元據。同時，std::span 的記憶體佈局與原始陣列相同，因此不需要進行資料的複製或重排。

安全性：std::span 具有邊界檢查機制，可以避免存取越界等錯誤，從而提高程式碼的安全性。

可組合性：std::span 可以與其他容器型別進行組合，例如可以從 std::vector 或 std::array 中建立 std::span，或將 std::span 轉換為 std::vector 或 std::array。

易於擴充套件：由於 std::span 只是一個非擁有式容器，因此可以輕鬆地將其用作介面的一部分，並以此擴充套件介面的功能。

總之，std::span 是一個非常實用的工具，可以方便地對資料進行存取和處理，同時也可以提高程式碼的可讀性、可維護性和安全性。

具體一些相關的資訊見：std::span - cppreference.com

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