117 std::span
作者Lou Xiao, deepseek创建时间2025-04-02 17:44:58更新时间2025-04-02 17:44:58
1. 概述
std::span 是 C++20 引入的一个轻量级非拥有式容器视图，用于表示连续内存区域的引用。
1.1 基本特性
- 非拥有式：不管理所引用内存的生命周期
- 连续内存：只能表示连续内存序列（如数组、vector等）
- 运行时或编译时大小：可以是固定大小或动态大小
- 轻量级：通常实现为指针+大小的组合
1.2 主要用途
- 函数参数传递（替代指针+大小或首尾迭代器对）
- 统一处理不同类型的连续容器（数组、vector、array等）
- 避免不必要的容器拷贝
2. 基本语法
2.1 头文件
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#include <span>
2.2 构造方式
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// 从数组
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int arr[] = {1, 2, 3};
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std::span<int> s1(arr);
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// 从vector
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std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
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std::span<int> s2(vec);
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// 从指针和大小
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int* ptr = arr;
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std::span<int> s3(ptr, 3);
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// 从其他span的子范围
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std::span<int> s4 = s1.subspan(1, 2);
3. 模板参数
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template<
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class T,
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std::size_t Extent = std::dynamic_extent
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> class span;
3.1 模板参数说明
T：元素类型Extent：范围大小（默认为dynamic_extent表示动态大小）
3.2 固定大小span
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std::span<int, 3> fixed_span(arr); // 必须恰好3个元素
4. 成员函数和操作
4.1 元素访问
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s.front(); // 首元素
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s.back(); // 末元素
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s[0]; // 下标访问
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s.data(); // 底层指针
4.2 容量查询
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s.size(); // 元素数量
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s.size_bytes();// 字节大小
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s.empty(); // 是否为空
4.3 迭代器支持
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s.begin();
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s.end();
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s.rbegin();
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s.rend();
4.4 子视图操作
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s.first<3>(); // 前N个元素（编译时大小）
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s.first(3); // 前N个元素（运行时大小）
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s.last<3>(); // 后N个元素
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s.subspan(1, 2); // 从偏移1开始的2个元素
5. 使用场景
5.1 函数参数传递
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void process(std::span<const int> data) {
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for (int val : data) {
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// 处理元素
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}
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}
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// 可以接受各种连续容器
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process(std::vector{1, 2, 3});
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process(std::array{4, 5, 6});
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process({7, 8, 9}); // 初始化列表
5.2 与C风格API互操作
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void legacy_api(int* data, size_t size);
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void wrapper(std::span<int> data) {
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legacy_api(data.data(), data.size());
5
}
5.3 多维度视图
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// 2D视图示例
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void process_image(std::span<std::span<const Pixel>> image) {
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for (auto row : image) {
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for (auto pixel : row) {
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// 处理像素
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}
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}
8
}
6. 注意事项
6.1 生命周期管理
span不拥有数据，必须确保底层数据在span使用期间有效- 避免返回局部变量的
span
6.2 类型转换
- 可以隐式转换为
span<const T> - 不能从
const转换为非const
6.3 性能
- 通常编译为与原始指针相同的代码
- 无运行时开销
7. 与类似工具比较
| 特性 | std::span | std::string_view | std::vector |
|---|---|---|---|
| 拥有数据 | 否 | 否 | 是 |
| 可修改元素 | 是 | 否 | 是 |
| 连续内存 | 是 | 是 | 是 |
| 支持非字符类型 | 是 | 否 | 是 |
8. 示例代码
8.1 基本使用
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#include <span>
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#include <vector>
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#include <iostream>
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void print(std::span<const int> values) {
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for (auto v : values) {
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std::cout << v << ' ';
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}
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std::cout << '\n';
10
}
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int main() {
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int arr[] = {1, 2, 3};
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std::vector<int> vec = {4, 5, 6, 7};
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print(arr); // 1 2 3
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print(vec); // 4 5 6 7
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print({8, 9, 10});// 8 9 10
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20
auto sub = std::span(vec).subspan(1, 2);
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print(sub); // 5 6
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}
8.2 固定大小span
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void process3(std::span<int, 3> data) {
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// 只接受恰好3个元素的span
3
}
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int main() {
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int arr[3] = {1, 2, 3};
7
process3(arr); // OK
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9
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
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// process3(vec); // 错误：不能从动态span转换为固定span
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std::array<int, 3> arr2 = {1, 2, 3};
13
process3(arr2); // OK
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}
9. 最佳实践
- 优先使用
span<const T>作为输入参数，除非需要修改数据 - 避免长期存储
span，因为它不管理生命周期 - 考虑固定大小span在编译时已知大小的情况下
- 替代指针+大小参数，提高代码安全性和可读性
- 注意const正确性：不能从
span<const T>转换为span<T>
std::span 常用 API 的整理表格
| 名称 | 用途 | 原型 | 代码示例 | 注释 |
|---|---|---|---|---|
| 构造函数 | 创建 std::span 对象 | span() noexcept = default;span(pointer ptr, size_type count); | std::span<int> s1;std::span<int> s2(arr, 3); | 默认构造空 span；或从指针和元素数量构造。 |
| begin | 返回指向首元素的迭代器 | constexpr iterator begin() const noexcept; | auto it = s.begin(); | 类似容器的 begin()。 |
| end | 返回指向末尾的迭代器 | constexpr iterator end() const noexcept; | for (auto& x : s) { ... } | 配合 begin() 实现范围遍历。 |
| size | 返回元素数量 | constexpr size_type size() const noexcept; | size_t n = s.size(); | 返回当前 span 中的元素个数。 |
| empty | 检查是否为空 | constexpr bool empty() const noexcept; | if (s.empty()) { ... } | 等价于 size() == 0。 |
| operator[] | 访问指定位置的元素 | constexpr reference operator[](size_type idx) const; | int x = s[0]; | 不进行边界检查（类似数组）。 |
| data | 返回指向底层数据的指针 | constexpr pointer data() const noexcept; | int* p = s.data(); | 直接访问原始数组指针。 |
| front | 访问首元素 | constexpr reference front() const; | int x = s.front(); | 若为空则未定义行为。 |
| back | 访问末尾元素 | constexpr reference back() const; | int x = s.back(); | 若为空则未定义行为。 |
| subspan | 创建子视图 | constexpr span subspan(size_type offset, size_type count = dynamic_extent) const; | auto sub = s.subspan(1, 2); | 返回从 offset 开始的 count 个元素的视图。 |
| size_bytes | 返回存储的字节数 | constexpr size_type size_bytes() const noexcept; | size_t bytes = s.size_bytes(); | 等价于 size() * sizeof(element_type)。 |
| first | 获取前 N 个元素的视图 | constexpr span first(size_type count) const; | auto first3 = s.first(3); | 若 count > size() 则未定义行为。 |
| last | 获取后 N 个元素的视图 | constexpr span last(size_type count) const; | auto last2 = s.last(2); | 若 count > size() 则未定义行为。 |
完整示例代码
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#include <span>
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#include <iostream>
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int main() {
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int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
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std::span<int> s(arr); // 自动推导长度
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// 遍历
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for (auto x : s) { std::cout << x << " "; }
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// 子视图
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auto sub = s.subspan(1, 3); // {2, 3, 4}
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// 访问元素
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std::cout << "\nFirst: " << s.front() << ", Last: " << s.back();
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// 原始指针
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int* p = s.data();
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}
关键注释
- 轻量级：
std::span不拥有数据，仅作为视图。 - 边界安全：
operator[]无边界检查，需用户保证安全。 - 动态/静态长度：支持编译时固定长度（
span<int, 5>）或运行时动态长度（span<int>）。
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