C++20中的span容器及用法小結

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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內存區間，類似於一個輕量級的隻讀數組容器。

span 是一個輕量級的非擁有式容器，它提供瞭對連續內存的引用。 span 的主要用途是作為函數參數，可以避免不必要的內存拷貝，並且可以防止懸垂指針和空指針引用的問題。

它的定義在頭文件 <span> 中，並位於 std 命名空間中。span 包含瞭一個指向連續內存區域的指針以及它所占用的大小，可以通過它來訪問這個內存區域中的元素。

span 主要用於以下場景：

  • 作為函數的參數，用於指示函數需要處理的數據范圍；
  • 作為類的成員變量，用於表示對象所管理的內存區域；
  • 作為數組的視圖，用於訪問數組的一部分

二.span的用法

下面是幾種 span 的用法示例：

1.將數組轉換為 span：

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

        這裡將一個整型數組 arr 轉換為 span 類型，並使用數組首地址和元素個數作為參數。

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 對象，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 對象 s 分割為從第 1 個元素開始，長度為 3 的子序列，並將結果存儲到 s1 中。

4.將 span 轉換為其他容器類型：

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 對象 s 轉換為迭代器范圍，並使用這個迭代器范圍構造一個 vector 容器 vec。

三.span的底層原理

下面為 span的簡化版源碼，用於展示其基本實現：

template<typename T, std::size_t Extent = std::dynamic_extent>
class span {
public:
    // 定義迭代器類型
    using iterator = T*;
    using const_iterator = const T*;
 
    // 構造函數
    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()) {}
 
    // 拷貝構造函數和拷貝賦值運算符
    constexpr span(const span& other) noexcept = default;
    span& operator=(const span& other) noexcept = default;
 
    // 訪問元素和迭代器操作
    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_;  // 元素指針
    std::size_t size_;  // 元素數量
};

具體實現方式是通過指針來引用連續的一段內存，從而實現 span 的基本功能。由於 span 沒有實際的內存所有權，所以它不能擁有或釋放內存。它隻是提供瞭對現有內存塊的訪問。

標準庫中的 span 還提供瞭一些其他的功能，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復雜，但其基本的思想是一致的。

四.span 與 array ,vector ，數組指針 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內存區域，它不負責管理內存空間，也不會擁有所指向內存的所有權，隻是提供一種方便的方式來操作內存區域，因此可以看做是一個隻讀的“裸指針”。

與 array 和 vector 相比，span 的主要區別在於它不擁有自己的存儲空間，而是引用瞭另一個數組或容器的內存空間。因此，當我們需要使用一個連續的內存塊時，可以使用 span 來代替 array 或 vector。

具體來說，array 是一個固定大小的數組容器，其大小在編譯時就確定瞭，不能動態改變。vector 是一個動態增長的數組容器，可以動態分配內存，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內存區域的引用，可以指向任何類型的元素。

在使用方面，array 和 vector 可以用來存儲數據，並通過下標或迭代器來訪問其中的元素；span 則更多地用來表示一段內存區域，並提供類似於迭代器的操作來訪問其中的元素（就是 隻讀），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 數組指針的區別

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

span是一個封裝瞭數組指針和長度的輕量級容器，它提供瞭對數組的安全訪問。指針隻是一個指向內存位置的地址，沒有長度信息。因此，使用指針時需要顯式地傳遞長度信息，否則可能會導致緩沖區溢出等問題。

span支持范圍操作，它可以使用STL中的算法和其他支持范圍操作的庫進行操作。指針隻能通過指針運算和下標操作來訪問和操作數據。

span是可傳遞性的，可以傳遞到函數中作為參數，而指針不能。這是因為在函數中傳遞指針時，我們必須顯式地傳遞指針所指向的內存塊的大小，否則函數無法確定內存塊的大小。

span是一個類模板，可以指定數據類型和長度類型。指針隻能指向特定類型的數據。

總的來說，span比指針更安全，更靈活，更易於使用，是一種更好的數組容器類型。

五.span的優點

std::span 的主要優點如下：

輕量級：std::span 本身隻是一個輕量級的非擁有式容器，沒有自己的內存管理，因此可以在不分配內存的情況下輕松地傳遞和操作數據。同時，std::span 的內存佈局與原始數組相同，因此不需要進行數據的復制或重排。

安全性：std::span 具有邊界檢查機制，可以避免訪問越界等錯誤，從而提高代碼的安全性。

可組合性：std::span 可以與其他容器類型進行組合，例如可以從 std::vector 或 std::array 中創建 std::span，或將 std::span 轉換為 std::vector 或 std::array。

易於擴展：由於 std::span 隻是一個非擁有式容器，因此可以輕松地將其用作接口的一部分，並以此擴展接口的功能。

總之，std::span 是一個非常實用的工具，可以方便地對數據進行訪問和處理，同時也可以提高代碼的可讀性、可維護性和安全性。

具體一些相關的信息見：std::span – cppreference.com

到此這篇關於C++20中的span容器的文章就介紹到這瞭,更多相關C++20中的span內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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