为什么 C++20 的 std::span 是安全且高效的？

作者

是一个轻量级的视图类型，它允许我们在不复制数据的前提下安全地访问数组、容器和裸数组。下面从安全性、性能和使用场景三方面进行深入剖析。

1. 什么是 std::span？

std::span 代表了对连续元素序列的非拥有视图。它由指向首元素的指针和长度两部分组成，类似于 (T*, std::size_t)。由于它不管理内存，生命周期完全取决于被引用的数据。

2. 安全性

2.1 边界检查

在构造时，std::span 通过 std::size_t 保存长度，所有成员函数（如 operator[], at()）都可以根据此长度做边界检查，防止越界访问。

2.2 与容器生命周期保持一致

std::span 只在引用对象存在时有效。若引用的数据已被销毁，使用该 span 会导致未定义行为；因此在设计时应确保 span 的生命周期不超过所引用的数据。

2.3 类型安全

由于 span 是模板，只有相同类型的元素才能构造。编译器会自动匹配类型，防止类型错误。

3. 性能优势

3.1 零复制

std::span 只存储指针和长度，不会复制元素，调用开销仅为两次字节读。

3.2 传递效率

传递 span 只需要两个指针，几乎等同于传递裸指针，避免了传递容器对象时的拷贝或移动。

3.3 与算法的协同

标准算法已接受 std::span，可以直接在 span 上使用 std::for_each, std::sort 等，无需转换为迭代器。

4. 使用示例

#include <span>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

void print_span(std::span<const int> sp) {
    for (auto v : sp) std::cout << v << ' ';
    std::cout << '\n';
}

int main() {
    std::vector <int> vec{1, 2, 3, 4, 5};

    // 通过 vector 直接创建 span
    std::span <int> sp(vec);

    // 访问子区间
    std::span <int> sub = sp.subspan(1, 3); // [2,3,4]

    print_span(sub); // 输出 2 3 4

    // 用算法排序
    std::ranges::sort(sub); // 对 subspan 进行排序

    print_span(sub); // 输出 2 3 4（已排序）
}

5. 典型使用场景

  1. 函数参数：当函数需要读取或修改数组而不拥有它时，使用 std::span 替代 T* + size 组合。
  2. 子序列视图：通过 subspan() 快速获取任意长度的子视图。
  3. 与 C API 交互：可轻松将 std::span 转为裸指针和长度，满足 C 接口要求。

6. 可能的陷阱

  • 悬空引用：如果 span 指向临时对象，使用时会悬空。
  • 多线程并发：span 并不提供同步机制，读写并发需自行处理。
  • 不可变性：虽然 std::span<const T> 只读，但 span<T> 仍可修改底层数据，需注意意图。

7. 结论

std::span 将可变与不可变视图统一为轻量级对象，兼具安全性与高性能，已成为现代 C++ 开发不可或缺的工具。正确使用 span 可以显著简化接口设计，提升代码可读性与运行效率。

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