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O C++20 conta com um novo tipo std::span. Bibliotecas externas como GSL também provêm implementações compatíveis com C++14 e C++17.

Buscando entender o que é um span<T>, esbarrei com a seguinte definição: Um span é uma view representando uma sequência de elementos contíguos em memória. Essa é uma definição bastante abstrata e, ao menos para um leigo em C++, ela não ajuda muito a entender o que é um span<T>.

Tentando entender melhor para que serve um span<T> encontrei informações sobre alguns casos de uso recomendados:

1. Diretrizes Centrais do C++

Nas Diretrizes Centrais do C++ span<T> é mencionado várias vezes em regras como:

I.13: Não passe arrays como ponteiros:

Errado:

void copy_n(const T* p, T* q, int n); // copy from [p:p+n) to [q:q+n)

Correto:

void copy(span<const T> r, span<T> r2); // copy r to r2

R.14: Evite parâmetros do tipo[], prefira span

Errado:

void f(int[]);

Correto:

void f(gsl::span<int>);

2. Alternativa para parâmetros do tipo std::array e std::vector

Além de C-style arrays, econtrei exemplos em que std::array e std::vector são passados como argumentos para funções com parâmetros do tipo std::span.

Exemplo do site Modernes C++:

void printMe(std::span<int> container) 
{
    std::cout << "container.size(): " << container.size() << '\n';
    for(auto e : container) std::cout << e << ' ';
    std::cout << "\n\n";
}

int main() 
{   
    std::cout << std::endl;
    
    int arr[]{1, 2, 3, 4};
    printMe(arr);
    
    std::vector vec{1, 2, 3, 4, 5};
    printMe(vec);

    std::array arr2{1, 2, 3, 4, 5, 6}; 
    printMe(arr2);
}

Mas afinal de contas o que é o um span<T>? Por que devo preferir usar span<T> no lugar de um ponteiro, referência para container (e.g., std::vector<int>& refToVector) ou std::iterator?

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    Parte da minha iniciativa para criar mais perguntas para a comunidade. Fique a vontade para responder essa pergunta (não devo responder essa pergunta a não ser que a pergunta fique aberta sem uma resposta válida por um longo tempo). 21/02/2021 às 11:58

1 Resposta 1

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Qual a vantagem de usar "span"?

Principalmente, um pouco mais de segurança (principalmente quando aliado à análise estática) e, por vezes, conveniência.


Uma breve definição para span<T>:

  • É uma abstração que fornece uma view sobre uma sequência de dados do tipo T em algum lugar na memória. Note que o termo ”view” é importante, uma vez que indica o fato de que um span apenas ”olha” aos objetos, mas não é dono deles ou sequer os gerencia. É bastante simples e quase sem custo.
  • Um span não é a sequência em si, mas sim uma estrutura que contém um ponteiro ao valor T inicial e o comprimento dessa sequência, isto é, { T *ptr; std::size_t length; }.

Veja então que, basicamente, um span é uma simples abstração que conhece um ponto inicial de memória e um comprimento, que define os seus limites.

Esse “comprimento” é essencial para a garantia de que, usando um span, você não vai acessar objetos além de seu alcance. Isso torna o programa mais confiável e seguro.

Um span<T> pode ser estático ou dinâmico. Estático no sentido de que o seu comprimento é conhecido pelo compilador – em casos como esse o span nem precisa sequer ter o campo length (fica ainda mais barato!). Nesses casos, também há uma série de garantias que podem ser feitas estaticamente, de modo que acessar um valor fora dos limites do span é um claro erro que impede a compilação do programa.

Claro que as mesmas garantias de segurança ao tentar acessar valores fora do limite também se aplicam a spans dinâmicos, mas nesse caso as verificações são obviamente feitas em runtime.

Esse tipo de garantia, sem dúvidas, leva a programas de maior qualidade. Compare um span<T> com o famigerado par (T*, length) – nesse último caso nada impede o programador de acessar um valor que ultrapasse os limites estipulados por length.

Além disso, não se pode deixar de elencar certo ganho maior possibilidades de modularização, composição e reuso de código. Isso fica evidente no próprio código da pergunta.

Veja que um span<T> pode ser trivialmente construído a partir de C-style arrays, std::arrays std::vectors e outros contêineres. Como o span não representa o mecanismo de armazenamento e gerenciamento dos dados, mas sim apenas uma visualização sobre eles, fica muito fácil de utilizá-lo para representar a sequência de dados de diversos contêineres (como os próprios std::array ou std::vector).


Por que devo preferir usar span<T> no lugar de um ponteiro?

Só o ponteiro não. São coisas diferentes.

Mas o idioma ponteiro e comprimento é encorajado “inseguro” se comparado ao span<T>. Não há nenhuma garantia de que o comprimento passado junto ao ponteiro de fato será usado como limite. O span garante que essa invariante seja cumprida.

Em código novo é indicado utilizar um span ao invés do par ponteiro-comprimento para representar uma sequência contínua de objetos.

Por que devo preferir usar span<T> no lugar de uma referência para contêiner?

Porque ele é mais genérico e barato, mas de modo geral é importante compreender as diferenças.

O span fornece acesso aos elementos da sequência ao qual ele visualiza. Também permite a modificação desses elementos (assumindo que seja um span<T> e não um span<const T>, por exemplo).

Contudo, o span não permite modificar o tamanho da sequência ao qual ele enxerga. Adicionar um novo elemento à sequência, por exemplo, não pode ser feito com span. Nesse tipo de situação, obviamente, não é possível receber um span, mas sim uma referência à contêiner que permita modificação de seu tamanho, como o próprio std::vector. Vai de caso a caso.

De modo geral, quando só se quer mexer nos dados de uma sequência específica (incluindo de modo genérico entre vários tipos de contêineres), span pode ser bastante útil.

Por que devo preferir usar span<T> no lugar de um iterador?

Um span não é conceitualmente o mesmo que um iterador. Um iterador é uma abstração para iterar sobre valores. Um span é abstração sobre a visualização de uma sequência contínua de dados. Há, contudo, a possibilidade de se criar um iterador a partir de um span. A recíproca não é necessariamente verdadeira.


Algumas observações importantes a serem feitas:

  1. É crucial ressaltar o fato de que o span não é dono de nada. Ele apenas fornece uma visão a dados que pertencem a outro objeto (como um std::array). Os elementos dentro dos limites estipulados, todavia, ficam acessíveis pelo span que, por exemplo, faz overload do operator[] para o acesso dos elementos.
  2. span<T> foi projetado para ser barato para ser construído, copiado, movido e usado. Os usuários são encorajados a utilizá-lo com semântica de valor.
  3. Todos os acessos aos dados dentro dos limites do span são conceitualmente range-checked de modo a garantir que continuem dentro dos span bounds. Portanto, desde que uma sequência seja acessada por um span corretamente inicializado, é garantido que seus limites não podem ser violados.
    • Nesse sentido, em implementações de referência, por exemplo, ao violar um range-check, chama-se terminate(), mas a implementação pode optar por continuar a execução com undefined behavior. Nesse caso, obviamente, considera-se fatal a capacidade do programa continuar uma execução confiável.
  4. O span é esperado ser utilizado em situações onde anteriormente se utilizava o par ponteiro-comprimento. É um “substituto seguro” para esse tipo de idioma. É, nesse sentido, extremamente encorajado.
  5. Para simplificar a passagem por parâmetros, span<T> fornece vários construtores para contêineres comumente utilizados para armazenar sequências contínuas de elementos (como std::array, std::vector, etc). Isso foi demonstrado em um dos excertos de código da própria pergunta. O span é bastante genérico nesse sentido.

Não teria sido capaz de escrever esta resposta sem estas publicações. Me baseei fortemente em:

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