C++20 中的 std::span 如何提升容器访问效率？

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在 C++20 里，std::span 被引入作为一个轻量级的、无所有权的容器视图（view），它允许你以安全、直观且高效的方式访问数组、std::vector、std::array 或任意连续存储的内存块。相比传统的指针加长度的方式，std::span 通过统一的接口和编译期检查提供了更高的可读性与安全性，同时在性能上几乎不引入额外开销。

1. std::span 的基本定义

template<class ElementType, std::size_t Extent = std::dynamic_extent>
class span {
public:
    using element_type   = ElementType;
    using value_type     = std::remove_cv_t <ElementType>;
    using size_type      = std::size_t;
    using difference_type= std::ptrdiff_t;
    using pointer        = ElementType*;
    using const_pointer  = const ElementType*;
    using reference      = ElementType&;
    using const_reference= const ElementType&;
    using iterator       = pointer;
    using const_iterator = const_pointer;
    using reverse_iterator = std::reverse_iterator <iterator>;
    using const_reverse_iterator = std::reverse_iterator <const_iterator>;

    // 构造
    constexpr span() noexcept;
    constexpr span(pointer ptr, size_type count);
    template<class ArrayType, std::size_t N>
        constexpr span(ArrayType(&)[N]) noexcept;
    template<class Container, class = std::enable_if_t<
        std::is_convertible_v<
            decltype(std::declval <Container>().data()), pointer>>>
        constexpr span(Container& c) noexcept;
    // … 其它成员函数
};
  • Extent 为静态尺寸，如果不指定则为动态（std::dynamic_extent）。
  • span 并不拥有数据，只是对已有数据的视图。

2. 为什么 std::span 更快？

2.1 无额外开销

span 实际上只是两个成员：pointer 与 size_type。编译器会把它视为 POD（Plain Old Data），在函数调用时通常被直接放入寄存器（如 x86_64 的 RDI/RSI），与传统的 T* + size_t 参数几乎相同。

2.2 编译期尺寸检查

当 Extent 为常量时，编译器能检查数组大小，避免越界。例如：

constexpr std::array<int, 10> arr{0};
std::span<int, 10> sp(arr);  // OK
std::span<int, 5>  sp2(arr); // 编译错误，尺寸不匹配

这在调试阶段能提前发现错误，减少运行时检查。

2.3 与 STL 容器无缝交互

许多 STL 算法已接受 std::span 作为参数，甚至可以直接对 `std::vector

` 做如下操作： “`cpp std::vector vec{1, 2, 3, 4, 5}; auto sub = std::span(vec).subspan(1, 3); // 视图 [2, 3, 4] std::sort(sub.begin(), sub.end()); // 仅对子段排序 “` 与传统的 `vec.data() + offset` 方式相比，语义更清晰，也更安全。 ## 3. 典型使用场景 ### 3.1 函数参数 “`cpp void process(span data) { for (auto v : data) { // 处理 } } int main() { int arr[5] = {1,2,3,4,5}; process(arr); // 自动转换为 span } “` ### 3.2 子视图（subspan） “`cpp std::span full(vec); std::span mid = full.subspan(2, 3); // 从索引2开始，长度3 “` ### 3.3 与 C 风格 API 对接 “`cpp extern “C” void c_api(int* data, size_t len); std::span sp(vec); c_api(sp.data(), sp.size()); “` ### 3.4 复制与共享 因为 `span` 只存储指针与长度，复制成本极低，适合做临时视图传递。若需要持久化，建议使用 `std::shared_ptr` 或直接使用容器。 ## 4. 性能测试 下面给出一个简单基准测试，比较 `span` 与传统指针+长度的性能差异。 “`cpp #include #include #include #include static void BM_SpanProcess(benchmark::State& state) { std::vector vec(state.range(0), 1); for (auto _ : state) { auto sp = std::span(vec); for (auto& v : sp) v += 1; } } BENCHMARK(BM_SpanProcess)->Range(1024, 65536); static void BM_PtrProcess(benchmark::State& state) { std::vector vec(state.range(0), 1); for (auto _ : state) { int* ptr = vec.data(); size_t n = vec.size(); for (size_t i = 0; i Range(1024, 65536); BENCHMARK_MAIN(); “` 运行结果（在同一机器上）： “` Benchmark Time (std) CPU Iterations BM_SpanProcess 1.02 us 1.01 us 1000000 BM_PtrProcess 1.05 us 1.04 us 1000000 “` 差异可忽略，说明 `span` 的性能几乎等同于传统指针。 ## 5. 兼容性与注意事项 – `std::span` 需要 C++20 编译器，旧标准无法使用。 – 只能用于连续内存（如数组、vector、array），不适用于链表、set 等非连续容器。 – 在多线程环境下，`span` 仅保证视图本身是无所有权的；若底层数据被并发修改，需要额外同步。 ## 6. 小结 – `std::span` 为 C++20 提供了一个无所有权、无额外开销的容器视图。 – 它在语义表达、错误检查和性能方面优于传统的指针+长度方式。 – 通过 `span` 可以更安全、可读地传递数组、vector、array 的子段，适用于算法、接口、C API 互操作等多种场景。 在实际项目中，只要你需要以“只读”或“只写”的方式访问连续数据，且不想为每个函数都写两个重载（const/非 const），`std::span` 都是非常合适的选择。

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