编辑“︁C++spancpp20”︁

= C++20 的 `std::span` 简介 =

`std::span` 是 C++20 引入的一个轻量级、非拥有（non-owning）的视图（view），用于表示连续内存序列的引用。它类似于指针和长度的组合，但提供了更安全和更高级的接口。`std::span` 可以用于替代传统的 C 风格数组或指针传递方式，同时保持高效性，并且不会引入额外的内存开销。

== 核心特性 ==
* '''非拥有'''：`std::span` 不管理内存，仅引用现有数据。
* '''连续内存'''：适用于数组、`std::vector`、`std::array` 等连续存储的数据结构。
* '''动态或静态长度'''：支持编译时固定长度（`std::span<T, N>`）或运行时动态长度（`std::span<T>`）。
* '''类型安全'''：通过模板参数确保类型正确性。

== 基本语法 ==
{{syntaxhighlight|cpp
#include <span>
#include <iostream>
#include <vector>

void print_span(std::span<int> s) {
    for (int elem : s) {
        std::cout << elem << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

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

    // 从数组创建 span
    std::span<int> span_arr(arr);
    print_span(span_arr); // 输出: 1 2 3 4 5

    // 从 vector 创建 span
    std::span<int> span_vec(vec);
    print_span(span_vec); // 输出: 6 7 8 9 10

    // 子视图
    std::span<int> subspan = span_vec.subspan(1, 3);
    print_span(subspan); // 输出: 7 8 9
}
}}

=== 输入与输出 ===
{{syntaxhighlight|text
输入:
- 数组 `arr`: {1, 2, 3, 4, 5}
- 向量 `vec`: {6, 7, 8, 9, 10}

输出:
1 2 3 4 5 
6 7 8 9 10 
7 8 9 
}}

== 动态与静态长度 ==
`std::span` 可以指定固定长度（编译时已知）或动态长度（运行时确定）：
{{syntaxhighlight|cpp
// 动态长度（默认）
std::span<int> dynamic_span = vec;

// 静态长度（N=5）
std::span<int, 5> static_span(arr);
}}

== 实际应用场景 ==
=== 1. 替代指针和长度参数 ===
传统 C 风格函数：
{{syntaxhighlight|cpp
void process_data(int* data, size_t size);
}}
使用 `std::span` 更安全：
{{syntaxhighlight|cpp
void process_data(std::span<int> data);
}}

=== 2. 高效传递子范围 ===
无需复制数据即可操作子序列：
{{syntaxhighlight|cpp
void analyze_subrange(std::span<const double> data) {
    auto first_half = data.first(data.size() / 2);
    // 处理前半部分数据
}
}}

=== 3. 与标准库容器交互 ===
`std::span` 与 `std::vector`、`std::array` 无缝协作：
{{syntaxhighlight|cpp
std::vector<float> values = {1.1f, 2.2f, 3.3f};
std::span<float> value_span(values);
value_span[1] *= 2; // 修改原数据
}}

== 内存布局示意图 ==
<mermaid>
graph LR
    A[std::vector<int> vec] -->|数据| B[内存块: 1, 2, 3, 4, 5]
    C[std::span<int> s] -->|引用| B
    D[子视图 s.subspan(1,2)] -->|引用| B[内存块: 2, 3]
</mermaid>

== 数学表示 ==
`std::span` 可以形式化表示为：
<math>
\text{span}(T) = (p, n) \quad \text{其中} \quad p \in T^*, n \in \mathbb{N}
</math>
其中：
* <math>p</math> 是指向连续内存的指针
* <math>n</math> 是元素数量

== 注意事项 ==
* 确保 `std::span` 的生命周期不超过其引用的数据。
* 不可用于非连续容器（如 `std::list`）。
* 默认情况下不保证线程安全。

== 总结 ==
`std::span` 是 C++20 中用于高效、安全处理连续数据的工具，尤其适合以下场景：
* 替代指针+长度的传统参数传递
* 避免不必要的内存拷贝
* 提供对数据的零开销抽象视图

通过合理使用 `std::span`，可以显著提升代码的安全性和可读性，同时保持 C++ 的高效特性。

[[Category:编程语言]]
[[Category:C++]]
[[Category:C++stl 容器]]