C++20 ：std::span类型

引入

C++20 引入了一个强大的新特性——std::span，它是一种轻量级的视图，可以方便地在数组和其他连续存储区之间进行操作。std::span 提供了一种安全而又灵活的方式来访问数组元素，并且减少了手动管理动态内存的需要。通过引入 std::span，C++20 使得数组处理变得更加简洁和高效，同时保留了类型安全性并避免了常见的错误。

特性介绍

std::span 提供了一种对数组和矩阵等数据结构的“视图”。它可以被看作是一种轻量级的、不可持久化的数组封装。主要特性包括：

1. 无须拥有数据：std::span 不拥有其指向的数据，因此它更高效，特别是在频繁复制的情况下。
2. 滞后检查：通过 std::span，可以保证对数组范围的安全访问，避免越界访问的风险。
3. 可变长度：支持使用不同长度的数组类型，但都可以用统一的接口进行访问。
4. 支持切片：通过视图操作，std::span 可以提供对数组的一部分进行访问，类似于 Python 中的数组切片。

std::span 的基本语法如下：

#include <span>

std::span<Type> span_variable(array);

完整示例代码

下面是一个简单的示例，展示了如何使用 std::span 来操作数组。(VS2022-MSVC-C++20-Debug-x64)

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

void PrintArray(std::span<int> arr) {
    for (auto value : arr) {
        std::cout << value << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::span<int> spanArray(array);  // 使用 std::span 包装原始数组

    PrintArray(spanArray);  // 打印整个数组

    std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};
    std::span<int> spanVector(vec.data(), vec.size());  // 打包 std::vector

    PrintArray(spanVector);  // 打印 vector

    // 使用切片访问
    std::span<int> subSpan = spanArray.subspan(1, 3);  // 从索引 1 开始取 3 个元素
    PrintArray(subSpan);  // 打印切片结果

    return 0;
}

代码解析

在上述示例中，我们首先引入了 <span> 头文件，并定义了一个 PrintArray 函数，该函数接受一个 std::span<int> 作为参数。这样，无论传入的是原始数组还是 std::vector，函数都可以正常处理。

在 main 函数中，我们定义了一个整数数组 array 和一个 std::vector。使用 std::span 包装这两个容器，得到了 spanArray 和 spanVector，之后将这两个 std::span 传递给 PrintArray 函数进行打印。

特别地，我们演示了如何使用 subspan 函数来从原始数组生成一个子视图。在这个例子中，我们从原数组中索引为 1 的位置开始，取 3 个元素。

适用场景分析

std::span 在以下场景中特别有用：

1. 函数参数：当我们希望编写一个接受任意长度数组的函数时，std::span 提供了一种更加灵活、安全的传入方式，避免了裸指针和手动管理数组长度。
2. 与标准库容器兼容：std::span 可以跟 std::vector、std::array 等标准库数据结构配合使用，非常适合处理需要动态长度的数组操作。
3. 切片操作：当需要对数组或容器的一部分进行处理时，切片操作提供了一种简便的方法，极大提高了代码的简洁性与可读性。

总结

C++20 引入的 std::span 为处理数组和其他连续存储区提供了一个新的解决方案。通过简化数组访问、提供安全检查和支持切片，std::span 革新了我们与数组和数据容器交互的方式。它的引入有望减少错误、提高代码可读性，并为开发者提供更高效的数组管理手段。在未来的 C++ 编程中，掌握和使用 std::span 将成为一种最佳实践。