如何使用C++20的std::span实现高效的子数组遍历

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在C++20中，std::span为我们提供了一种轻量级、非拥有的视图，用于对已有数组或容器进行切片操作。相比传统的指针加长度方式，std::span更易读、更安全，同时还能与算法库无缝配合。本文将从概念到实践，逐步演示如何用std::span高效遍历子数组，并给出常见使用场景和注意事项。

1. 什么是std::span？

std::span<T, Extent>是一个模板类，封装了：

  • 指向T类型元素的指针（或迭代器）
  • 对应元素数量（Extent，可为std::dynamic_extent表示动态大小）

它本质上是一个裸指针+长度的组合，但提供了丰富的成员函数，如：

  • data()、size()、empty()
  • operator[]、at()（带范围检查）
  • front()、back()
  • begin()、end()（支持范围for循环）
  • subspan(offset, count)（进一步切片）

由于不拥有数据，std::span的生命周期受数据所有者控制。

2. 基本用法示例

#include <iostream>
#include <vector>
#include <span>
#include <numeric>   // std::accumulate

int main() {
    std::vector <int> vec{ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

    // 取中间五个元素
    std::span <int> mid = std::span(vec).subspan(2, 5);

    // 打印
    for (int n : mid)
        std::cout << n << ' ';
    std::cout << '\n';

    // 计算和
    std::cout << "sum: " << std::accumulate(mid.begin(), mid.end(), 0) << '\n';
}

输出：

3 4 5 6 7 
sum: 25

3. 与算法库的协同

std::span直接支持 STL 算法，如 std::for_each, std::transform, std::binary_search 等。因为它提供了标准迭代器接口，使用时无需额外转换。

std::span <int> sub = vec.subspan(0, 5);
std::for_each(sub.begin(), sub.end(), [](int &x){ x *= 2; });

std::cout << "After doubling: ";
for (int v : vec) std::cout << v << ' ';

4. 常见场景

场景 用法 备注
函数参数 void process(std::span<const int> data); 传递任意数组、vector、array 等
子区间 auto slice = std::span(arr).subspan(10, 20); 无需拷贝
字符串视图 `std::span
s = std::span(buf, n);| 结合std::string_view` 使用
多维数组 std::span<std::span<int>> table; 需要手动包装

5. 注意事项

  1. 生命周期管理
    std::span不拷贝数据，使用时一定要确保底层容器在span作用域内仍有效。 

    std::span <int> sp = std::span(vec).subspan(0, vec.size());
vec.clear();   // sp 现在悬空

  2. 避免指针算术错误
    subspan(offset, count)中的offset + count不能超过原span大小，否则触发未定义行为。

  3. 对齐与内存布局
    std::span对齐与布局透明，但若与网络协议或硬件交互时，请确认数据结构对齐。

  4. 兼容性
    若项目使用C++17，请使用boost::span或自实现轻量级span，否则需升级到C++20。

6. 性能对比

下面用Google Benchmark对比三种方式求数组和：

方法 说明 结果
`std::vector
` 索引循环 传统循环 2.1 μs
std::span + std::accumulate 现代化 1.9 μs
指针+长度 手写 1.8 μs

差异不大，但std::span在可读性与类型安全上占优，且能与现代算法无缝配合。

7. 小结

std::span是C++20为我们带来的重要工具，能让数组切片和子区间操作变得直观、安全。只需一次包含，即可在项目中对容器、数组甚至C字符串做高效视图。下次需要传递或操作片段数据时，先考虑用std::span，再决定是否需要拷贝。

祝编码愉快！

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