C++20 中的 `std::span`：轻量级非所有权视图的实战

作者

std::span 是 C++20 标准库中新增的一个非常实用的工具，它是一种轻量级的、非所有权的连续内存视图。通过 std::span，我们可以安全、简洁地对数组、std::vector、std::array 等容器的子区间进行访问，而不需要复制数据，也不必担心指针悬挂。本文从设计哲学、使用场景、常见陷阱以及与容器结合的最佳实践四个方面，对 std::span 做一次深入剖析。

1. 设计哲学：视图而非所有权

与指针不同，std::span 明确表达了“视图”这一语义。它内部仅持有两个成员：指向元素的指针和元素数量。因为不负责管理内存，std::span 的生命周期应与底层数据保持同步。典型的做法是：

void process(std::span <int> data) { ... }

调用方传递一个容器或数组，process 在不拷贝数据的前提下对其进行操作。

2. 典型使用场景

2.1 作为函数参数

传递 std::span 能让函数既支持数组，又支持容器，甚至支持动态分配的内存块。

int sum(std::span<const int> data) {
    int total = 0;
    for (int v : data) total += v;
    return total;
}

2.2 与 std::vector 或 std::array 的子区间

std::vector <int> vec = {1,2,3,4,5,6};
auto sub = std::span <int>(vec.data()+2, 3); // {3,4,5}

2.3 与 C 风格数组交互

void c_func(int* arr, std::size_t n);

void wrapper(std::span <int> data) {
    c_func(data.data(), data.size());
}

3. 常见陷阱

3.1 生命周期管理

如果把 std::span 用作类成员，必须确保底层数据在成员销毁前不被销毁，否则会出现悬挂指针。

class Processor {
    std::span <int> data_;
public:
    Processor(std::vector <int>& vec) : data_(vec) {} // ok
    // 不能在构造后让 vec 失效
};

3.2 传递临时对象

process(std::span <int>{1, 2, 3}); // 错误：临时数组已销毁

应该先创建数组，再传递 std::span。

4. 与容器的最佳实践

  1. 尽量使用 std::span<const T>
    对只读数据使用 const 视图，保证不可变性。

  2. 使用 subspan
    轻松获取子区间，语法简洁：

    auto firstHalf = full.subspan(0, full.size()/2);

  3. 配合 std::ranges
    现代 C++20 标准库中，std::span 与 std::ranges 的组合可以实现更高级的管道式操作。

    auto result = vec | std::views::transform([](int x){ return x*x; }) |
              std::views::filter([](int x){ return x % 2 == 0; }) |
              std::ranges::to<std::vector>();

5. 结语

std::span 的出现，让我们在 C++ 代码中可以轻松实现“无拷贝、无所有权”的视图模式，既保持了性能，又提升了代码可读性和安全性。掌握它的使用要点，能够在大量底层数据处理、接口设计以及与 C 代码的交互中大幅简化代码，值得每个 C++ 开发者深入学习与实践。

发表评论