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什么是`std::span`？为什么用？怎么用？

有时代码中不可避免要使用 C 风格数组，C++20引入std::span来帮助我们避免使用 C 风格数组时会遇到的大部分问题。

可以像直接使用C风格数组那样使用std::span，除此之外它有一个成员函数.size()用于获取底层数组的大小，还有很多其他方便的功能。

std::span并不拥有底层元素，只是提供一个轻量的包装器让我们以更友好的方式访问底层容器。

std::span是一个视图（view）。“视图”（view）通常指的是一种不拥有底层数据的抽象，提供对某些数据的只读或只写访问，而不复制数据本身。视图用于高效地处理数据片段，而不引入不必要的开销。

例子：使用std::span作为函数参数类型，接收C风格数组

#include <span>
#include <iostream>


void handle(std::span<int> values) {
    std::cout << "Span Size: " << values.size() << std::endl;
}


int main() {
    int values[]{1,2,3,4,5};
    handle(values);


    return 0;
}

如果不使用std::span，C风格数组名在作为参数传入后，将衰减为指针，就无法再从其本身得知数组的大小。而使用std::span，可以使用size()成员访问其大小。

例子：使用std::span作为函数参数类型，接收多种类型的容器

可以为任何其元素储存在连续内存区域的容器创建std::span，如std::vector，std::array，或者其他合适的自定义类型。这样使用std::span的目的是，能够为任何类型的数组创建简单、一致的接口。

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


void handle(std::span<int> values) {
    std::cout << "Span Size: " << values.size() << std::endl;
    std::cout << "First element: " << values.front() << std::endl;
}


int main() {
    int values[]{1,2,3,4,5};
    std::vector values2{6, 7, 8};
    std::array values3{9, 10, 11};


    handle(values);
    handle(values2);
    handle(values3);


    return 0;
}

例子：使用模板std::span作为函数参数类型，接收多种类型的容器，指定容器中元素的类型

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


template<typename T>
void handle(std::span<T> values) {
    std::cout << "Span Size: " << values.size() << std::endl;
    std::cout << "First element: " << values.front() << std::endl;
}


int main() {
    int values[]{1,2,3,4,5};
    std::vector values2{6.3, 7.4, 8.5};
    std::array values3{9.7f, 10.2f, 11.3f};


    handle<int>(values);
    handle<double>(values2);
    handle<float>(values3);


    return 0;
}

例子：从std::span得到C风格数组

使用 data() 成员函数可以得到指向第一个元素的指针。

使用场景是，为接收C风格数组的函数提供参数。这种情况，通常还需要提供大小。

#include <span>
#include <iostream>


void handle(int values[], std::size_t size) {
    for (std::size_t i{0}; i < size; ++i) {
        std::cout << values[i] << ", ";
    }
    std::cout << std::endl;
}


int main() {
    int values[]{1,2,3,4,5};
    std::span<int> spanInt{values};


    handle(spanInt.data(), spanInt.size());


    return 0;
}

例子：从std::span创建容器，使用迭代器

int values[]{1,2,3,4,5};
std::span<int> spanInt{values};
std::vector<int> valuesVec{spanInt.begin(), spanInt.end()};

如果创建std::vector是为了将其作为函数参数传递，那么可以像下面这样做，避免创建中间副本：

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


void handleVector(std::vector<int> values) {
    for (const int & x : values) {
        std::cout << x << ", ";
    }
    std::cout << std::endl;
}


int main() {
    int values[]{1,2,3,4,5};
    std::span<int> spanInt{values};
    handleVector({spanInt.begin(), spanInt.end()});


    return 0;
}

例子：使用.first(), .last(), .subspan()创建子std::span

#include <span>
#include <iostream>


void handle(std::span<int> values) {
    for (const int & x : values) {
        std::cout << x << ", ";
    }
    std::cout << std::endl;
}


int main() {
    int values[]{1,2,3,4,5};
    std::span<int> spanInt{values};


    std::span<int> spanFirst3{spanInt.first(3)};  // 1, 2, 3
    std::span<int> spanLast3{spanInt.last(3)};  // 3, 4, 5
    std::span<int> spanMid{spanInt.subspan(1,3)};  // 2, 3, 4


    handle(spanFirst3);
    handle(spanLast3);
    handle(spanMid);


    return 0;
}

参考