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C++20 std::span 设计与陷阱

[TOC]

0.初衷

在传统C/C++代码中，我们通常会使用一个指针+大小来访问数组，比如：

void print(int* arr, int sz) {
	for (int i = 0; i < sz; i++) {
		// todo
	}
}

span可以简化这一操作，变为：

void print(std::span<int> arr) {
	for (auto x : arr) {
		// todo
	}
}

那么究竟什么是span、它的使用场景以及陷阱有哪些？本节进行详细的探讨。

1. 何谓span？

在 C++20 中，span 是一个轻量级的、范围类型的容器，它提供了对一段连续内存的访问。span 作为一个视图（view），并不拥有其数据，而是对数据的一个简单引用，常用于替代传统的 C 风格数组或指针。它可以容纳任意类型的数组和标准容器，如 std::vector，并提供一种更安全、更现代的方式来处理这些数据。

其中几个关键点：

• 连续内存
• 不拥有数据
• 引用

span 的源码位于gcc的libstdc++-v3/include/std/span。

template <typename _Type, size_t _Extent = dynamic_extent>
class span {};

span 类型包含两个重要的参数：

• _Type：元素类型。
• Extent：数组大小。如果为 dynamic_extent（默认值），表示视图的大小可以动态变化。

2. span 的动态与静态

span 有两种模式：静态和动态。

2.1 静态 span

静态 span 在编译时确定其大小，它的 Extent 是一个常量值。使用静态 span 时，我们需要在编译时知道数据的大小。

例如：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::span<int, 5> s(arr);  // 静态 span，大小为 5

静态 span 的大小在编译时固定，因此可以利用编译器进行一些优化，比如边界检查的省略。但由于 Extent 是常量，因此静态 span 不能在运行时修改大小。

2.2 动态 span

动态 span 的大小在运行时确定，Extent 默认为 dynamic_extent。这种类型的 span 不要求在编译时确定大小，它可以适应任意大小的数组或容器。

例如：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::span<int> s(arr);  // 动态 span，大小在运行时确定

动态 span 适用于那些无法在编译时确定大小的情况，它提供了更大的灵活性。

gcc源码里面实现比较简单，默认是一个非常大的整数(-1的无符号数)，真正计算的时候是在构造的时候。

inline constexpr size_t dynamic_extent = static_cast<size_t>(-1);

比如：这里会使用ranges::size设置内部大小，具体见下面代码。

std::vector<int> data{1, 2, 3};
std::span<int> s(data);

设置动态大小。

span(ranges::data(__range), ranges::size(__range))

3. subspan

span 提供了一个非常有用的成员函数 subspan，它允许我们从一个现有的 span 中提取一个子视图，而无需复制数据。这非常适用于处理大数据集时，避免不必要的内存开销。

subspan() 方法有两个重载：

1. 一个接受 __offset 和 __count 作为参数，其中 __offset 是起始位置，__count 是子范围的大小（默认为 dynamic_extent，即到原 span 的末尾）。
2. 另一个没有参数，基于模版实现。

constexpr auto
subspan() const noexcept
-> span<element_type, _S_subspan_extent<_Offset, _Count>()> {}

template<size_t _Offset, size_t _Count = dynamic_extent>
[[nodiscard]]
constexpr auto
subspan() const noexcept
-> span<element_type, _S_subspan_extent<_Offset, _Count>()> {}

示例1：

std::span<int> s(arr);  
std::span<int> sub = s.subspan(1, 3);

示例2：

std::span<int> s(arr);  
auto sub = s.subspan<2, 2>();

4. 使用陷阱

虽然 span 是一个非常有用的工具，但在使用时也有一些常见的陷阱需要注意：

4.1 不要让 span 引用已经释放的内存

span 本身并不拥有数据，它只是对数据的引用。因此，如果 span 引用的内存被释放（例如原数组被销毁或超出作用域），那么访问该 span 将导致未定义行为。

例如：

std::span<int> create_span() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    return std::span<int>(arr, 5);
}

// 错误：返回的 span 引用了栈上临时变量，函数返回后 arr 被销毁
auto s = create_span();

为了解决这个问题，应确保 span 引用的数据在其生命周期内有效。可以考虑将数据持有在动态分配的内存中，或者确保数据的生命周期和 span 的生命周期一致。

4.2 改变底层数组大小时的问题

span 对底层数据的引用是直接的，而不是复制。当底层的数据发生变化时，span 本身并不会感知这些变化。因此，改变底层数组或容器的大小（例如通过重新分配内存）时，原来的 span 可能会变得无效。

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::span<int> s(vec);  // s 引用 vec 的数据
// 改变底层容器的大小
vec.push_back(6);  // vec 大小变为 6

// 这里 s 仍然引用 vec 的数据，但 vec 可能已经重新分配了内存
// 这可能导致 s 引用失效或未定义行为