潮．C++20 | std::span 陣列、容器的代理人

8 min readFeb 2, 2020

在 C++ 裡頭有相當多「容器」。從原生的陣列，到標準庫 STL 的 vector, array, list, queue, map, set, …。有時候我們只是想以檢視的角度去看一個容器，或是其中一段內容，而不需要底下龐大的資料結構支撐其運作，也不想要擁有這個容器內的元素，這就是 C++20 中標準庫引入 span 概念的原由。

同樣概念在 C++17 時代就針對 string 這個「容器」有相對應的解決方案，就是 string_view字串視圖。

對，他就是個不具資料擁有權的代理 (proxy) 而已。我們今天就來帶各位同學解析一下 span 的用法還有原理。

長怎樣 / 怎麼用

根據 span 的標準提案 (P0122R7) 裡的敘述，

std::span 是一個不具所有權且用來檢視連續資料的一個觀察者 (view)。

他就藏在標頭檔 <span> 裡面。各位同學不是隔壁棚 <div> 的親戚。

而他的定義在標準中大概 / 可能 / 可以長這樣子：

意思就是他其實是一個樣版類別 (template class)。依照我們初始化他的容器內容物型別 (可能還有長度) 去推導。

T 就是你想檢視的容器內容物的型別，比如你今天想檢視的容器是個 vector<int>，那這兒的 T 就是 int。
Extent 是非型別樣版參數，代表我們想檢視的容器範圍寬度，可以是一個簡單的非負整數或是 std::dynamic_extent (預設)，代表動態寬度。大家看到這裡掛了一個預設引數，就知道在標準庫設計中，span 大部份使用情境之下我們是不太需要在意容器檢視範圍的寬度的。
當然這裡的「動態」當然不是真的可以變長變短，而是指在運行期 (run-time) 初始化 span 時才會知道範圍寬度，編譯期 (compile-time) 還不知道的意思。

包裝 C++ 原生陣列

包裝原生陣列的方法很簡單，就直接把一個原生陣列丟進去 span 的 constructor 創一個 span 物件就好 (C++17 以後，就算是樣版類別，宣告物件時也不用手動丟參數具現化樣版)。如同下面代碼中 main() 裡面的 arr_sp。

除了直接包裝整個陣列 (arr_sp) 以外，我們也可以用錨點的方式構造一個 span：

在 span 的 constructor 給定陣列的起點還有終點的指標。和標準庫的慣例一樣，作用範圍包含起點、不包含終點。代碼中的 arr_sp2。
在 span 的 constructor 給定陣列的起點還有長度。代碼中的 arr_sp3。

以 std::span 這個代理人包裝原生陣列之後，不用說，我們依舊可以像古時候一樣以 [] 去存取底下的陣列元素。

比較炫炮的是，如同print_sp()裡的用法：我們可以現代化的 ranged-base for loop 去列舉代理範圍內的元素，呼叫 size()獲得 span 代理的範圍長度，也提供 begin() / end() 這對活寶，也就是通過 C++ 中的 iterator 來存取範圍內元素。

特別要注意的是，[] 如果存取越界的話，這個在標準中說是未定義行為，各家編譯器帶的標準庫或是 open source 實作可以各自表述，所以大家還是要小心點不要亂搞 XD。

古時候把陣列傳來傳去總是需要在函式參數多標示個長度，甚至需要描述區段時，還需要多兩個參數標示起點終點，通過 span 樣版把長度吃進去類別裡面，完全省去這層困擾，且幾近零時間成本，程式也變得簡潔好懂多了。

包裝 C++ 標準庫 STL 的容器 (Container)

身為 C++20 的新發明，span 肯定可以拿來包 C++ 標準庫裡面那堆容器 (Container) 了是吧？是，也不是。

記得我們前面提到 span 代表的是一連串連續的資料。因此能被 span 包裝的容器自然也就必須是連續的容器 (sequential contiguous container)：也就是只有 array，vector(除開 vector<bool>)，string，span。

補充一下，舉例來說，在 clang 9.0.1/LLVM 的 span constructor SFINAE 實作方法是判斷

std::data(Container) 是否是 well-formed。
而且 std::data(Container) 這個函式回傳的指標所指向的型別形成的陣列能否轉型成 span 想包裝的內容物的陣列。

上面看不懂沒關係，重點是怎麼用，其實跟上面包裝原生的 C++ 陣列 87% 像：直接丟容器給 span。不多說直接上圖

我們從上面代碼的 main() 裡面總結一下 span 幾種包裝 STL 的方法：

直接以一個 array 初始化 span。
以 array 的 begin() 和 array 的 end() 初始化。
以 a_sp 呼叫 subspan(2, 2) 得到一個從 2 開始、長度為 2 的 span，並拿來初始化一個新的 span。
以一個 vector (除開 vector<bool>) 初始化 span。
以一個 string 初始化 span。

另外也稍微提一下 span 提供的幾個分段函式：

first(3)：對一個 span 取前 3 個元素成為一個新的 span。
last(5)：對一個 span 取後 5 個元素成為一個新的 span。
subspan(2, 2): 對一個 span 從位置 2 開始，取兩個元素成為一個新的 span。

靜態長度 Static extent

前面稍為提到惹，所謂靜態的長度是指在編譯時期就直接知道想包裝的範圍寬度多長。像是前面舉例的代碼裡頭，span 拿來包裝 C++ 原生陣列，或是包裝 std::array 在 constructor 都會推導出 static extent，在這裡我自己把他取名叫靜態 span。

對我們包裝一個容器來說，span 擁有 static extent 帶給我們最大的好處就是可以把代碼寫得更加炫炮。

結合 C++17 Structured Binding

在提案 p1024r3 裡面提到了：既然原生陣列和標準庫的 array 從 C++17 起就支援了 structured binding，那麼能包裝這些東西的 span 也應該要能支援 structured binding，才能達到完整的 array reference 的效用。所以這個提案改動了