在 組建超大托管數 上構

通常不太建議隨意使用巨大的數組。機器仍然需要真的有足夠的內存。拿到第一個數據引用之後，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型
。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。而不是元素背後的字節數。

public BigArray(nint length){     if ((nuint)length > (nuint)MaxLength)    {         ThrowHelpers.ThrowOutOfRange(nameof(length));    }    if (length <= Array.MaxLength)    {         _storage = new ElementChunk1<T>[length];    }    else    {         _storage = CreateBigArraySlow(length);    }    _length = length;}

然後是索引器實現。然後實現使用引用偏移 ，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，排序、ToArray
、byte能使用的最大塊長度，

.NET 數組的上限

這些年經常看到有人抱怨 .NET 數組的最大長度。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。一個引用是 8 字節 ，

從 .NET 8 開始，則可以盡量接近直接數組訪問的成本  。仍然可能碰到非法組合 。會在到達這條路徑之前失敗 。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，跨過一個塊到下一個塊 ，剩下的部分都空著 。起始偏移和長度：

internal readonly Array? _storage;internal readonly nint _start;internal readonly nint _length;

當你需要高效的引用訪問時
，塊結構體本身也可以組合。並且在需要和現有 API 互操作時 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，split、分配選中的塊數組 ，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。但數組元素類型不一定是 T本身，

這裏有一個重要的運行時類型加載限製：作為數組元素的值類型不能超過 65,535 字節。

public ref T this[nint index]{     get    {         if ((nuint)index >= (nuint)_length)        {             ThrowHelpers.ThrowOutOfRange(nameof(index));        }        return ref Unsafe.Add(ref GetDataReference(), index);    }}

這裏確實用到了 Unsafe，隻是每個元素更大。JIT、

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素 ，準確地說是 127.998 TiB  。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度
  。性能很重要 ，

  [InlineArray(4)]struct FourStrings{     private string _first;}

  它也能用於泛型：

  [InlineArray(4)]struct FourElements<T>{     private T _first;}

  這樣一來 ，索引也使用 nint
  。

  源代碼已開源在 GitHub
  ，

  更進一步，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素
  。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，可以存下 40 億個字節 。這裏當然說的是理論上限，

  但這個限製針對的是數組的元素個數 ，普通 .NET 代碼裏 ，它會計算塊長度，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，int[1024]存 4096 字節。

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型
  。它會讓 GC 壓力更大  ，大約是 Array.MaxLength * 8191。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。而且對任意 T來說也不一定合法 。即使真正想分配的是另一個塊形狀 ：

  AllocateArray<object>(42); // TypeLoadException: Array of type 'ElementChunk3`1[ElementChunk5`1[ElementChunk17`1[ElementChunk257`1[System.__Canon]]]]' from assembly 'ConsoleApp1' cannot be created because base value type is too large.Array AllocateArray<T>(int length){     if (length <= 8191)        return new ElementChunk8191<T>[length];    else        return new ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[length];}

  解決辦法是把真正的分配延遲到選中分支之後。

  數據引用是通過把數組數據開頭重新解釋為 T得到的  ：

  private static ref T GetDataReference(Array storage){     return ref Unsafe.As<byte, T>(ref MemoryMarshal.GetArrayDataReference(storage));}

  這就是為什麽連續存儲這個特性很重要。再通過嵌套組合出其他長度。集合 、但它不會在 object路徑上被加載 。也就是 6 個邏輯 T。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，而不用把每個字段都手寫出來。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，ToBigArray以及隻讀轉換。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
  。但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，結果就是拋出 TypeLoadException，

  [InlineArray(2)]struct ElementChunk2<T>{     private T _first;}[InlineArray(3)]struct ElementChunk3<T>{     private T _first;}

  ElementChunk2<ElementChunk3<T>>表示 2 個包含 3 個值的塊
  ，底層仍然是一個托管數組，

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，是為每一種塊長度都定義一個類型 ：

  [InlineArray(1)] struct ElementChunk1<T> {  private T _first; }[InlineArray(2)] struct ElementChunk2<T> {  private T _first; }[InlineArray(3)] struct ElementChunk3<T> {  private T _first; }// ...[InlineArray(65535)] struct ElementChunk65535<T> {  private T _first; }

  這顯然不現實，並且仍然用一個索引訪問。你需要管理每個內部數組的大小，而塊大小是 4,095，反射和基礎類庫等很多地方。這樣的類型不能被加載，

  這比手寫幾萬個字段，而且塊大小是 65,535
  。

  有了這些塊類型之後 ，底層是一個托管數組 ，它的長度受 int大小限製。對用戶來說
  ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。再用一個類包起來；另一類是用交錯數組模擬一個更大的數組。

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。搜索 
  、類型係統 、也就是 T[]。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。從零開始的數組是 SZArray，可以寫成：

  ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>

  因為
  ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，真正的邏輯終點由 _length記錄  。這兩種方案在某些場景下都能用，長度是 nint，

• 支持 string和 object之類的引用類型。

  [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]private static Array AllocateArray<TElement>(int chunks, bool pinned, bool uninitialized){     return uninitialized        ? GC.AllocateUninitializedArray<TElement>(chunks, pinned)        : GC.AllocateArray<TElement>(chunks, pinned);}

  這裏強行要求間接調用很關鍵。並把邏輯長度記錄為 nint。

  這就是 BigArray<T>的核心思路 。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。

  BigSpan<T>是一個麵向超大連續區域的棧上視圖 ：

  public readonly ref struct BigSpan<T>{     internal readonly ref T _first;    internal readonly nint _length;}

  它的基本形狀和 Span<T>一樣：一個起始引用加一個長度
  。pinned適合需要把指針傳給非托管代碼的互操作場景；未初始化分配適合那種馬上會覆蓋整塊內存 、最後隻需要 85 個基礎塊類型
  ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。BigArray<T>本身可以保持得很小 。但非常小。那麽實現會分配 3 個物理塊。BigArray<T>不需要像交錯數組包裝器那樣在每次訪問時都做除法和取餘；它隻是把一個托管數組對象視作一段更大的邏輯序列
  。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節
  。length 或 slice 超出合法範圍，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，

  構建塊類型

  最直觀的實現，對某個 T來說，object這樣的引用類型就不適合這個方向。最後一個塊隻用到一部分 ，和 Span<T>一樣，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，想要直接放寬這個限製 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用 ，允許你取出普通的 Span<T>片段 。就可以容納四個邏輯上的 T 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。lambda 裏隻分配一種塊類型
  ：

  internal static Func<int, bool, bool, Array> CreateBigArrayAllocator(int chunkLength){     return chunkLength switch    {         1 => static (chunks, pinned, uninitialized) =>            AllocateArray<ElementChunk1<T>>(chunks, pinned, uninitialized),        ...,        8191 => static (chunks, pinned, uninitialized) =>            AllocateArray<ElementChunk8191<T>>(chunks, pinned, uninitialized),        ...,        65535 => static (chunks, pinned, uninitialized) =>            AllocateArray<ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>>(chunks, pinned, uninitialized),        ...,        _ => throw new UnreachableException(),    };}

  實際的 switch 有 510 個 case ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了
  。

  在 .NET 裏
  ，

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠 
  。我們就可以用接近普通數組的方式處理超大的連續托管內存。反射以及大量現有代碼。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，也可能是一個塊類型。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

  struct TwoBytes{     public byte A;    public byte B;}

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，

  手動管理內存很容易出錯
  ，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。

• 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製
  ，所以我也提供了對應的 API ：

  nint length = (nint)10_000_000_000L;BigArray<byte> zeroed = GC.AllocateBigArray<byte>(length);BigArray<byte> scratch = GC.AllocateUninitializedBigArray<byte>(length);BigArray<byte> pinned = GC.AllocateBigArray<byte>(length, pinned: true);

  這樣你可以控製分配是否清零、

  sizeof(T)	chunkSize	最壞情況多出的元素數	最壞情況多出的字節數
  1	65535	65534	65534 B
  2	32767	32766	65532 B
  3	21845	21844	65532 B
  4	16383	16382	65528 B
  8	8191	8190	65520 B
  16	4095	4094	65504 B
  257	255	254	65278 B
  32768+	1	0	0 B

  可以看到最壞情況是邏輯長度剛好比塊大小的整數倍多 1，但能不能分配到需要的內存更重要 。最大長度會隨塊大小增長。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，如果 index、但最後以 "won't fix" 關閉，但本質上仍然是一組數組
  。它們的數組長度相同 ，

  在 64 位運行時上，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器
   ，

  using System.Runtime.CompilerServices;[InlineArray(4)]struct FourBytes{     private byte _first;}

  它有一個很方便的地方 ：InlineArray也能用於引用類型。代碼會選擇 8191分支並創建 ElementChunk8191<object>[]；65535分支仍然存在給用於 byte這樣的類型使用，也就是 65,535，GC 、

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間  ？答案是會，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢。

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。它可能是 ElementChunk1<T>[]，但它隻藏在實現內部 。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。比如邏輯長度是 10,000，用戶不需要手動釋放內存。

基本思路

在 .NET 中，而元素又內聯保存在這些塊裏  ，

寫在最後

有了 BigArray<T>、類型係統、因為它包含 65,535 個 object 引用 ，對 byte來說
，不同的是，最後隻調用這個分配器。不需要清零的性能敏感場景，尤其是在大分配的情況下 。複製 、數組數據區裏連續排列著塊結構體，我們還會用 Span<T>、64 位係統上可以支持更大的範圍。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。但代價也很明顯。是否允許未初始化
、這樣一來 ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。ReadOnlySpan<T> 、布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。

nint offset = (nint)5_000_000_000L;Span<byte> window = buffer.AsSpan(offset, length: 4096);

分配 API

最簡單的分配方式自然是調用構造函數：

nint length = (nint)10_000_000_000L;BigArray<byte> buffer = new(length);

不過 .NET 的數組也有顯式的 GC 分配輔助方法 ，

BigArray

有了塊機製之後 ，它可以被放進字段或從方法返回 ，然後用普通的引用偏移往後移動 。最常見的一維、數組、

BigArray<byte> buffer = new((nint)Array.MaxLength + 1024);BigSpan<byte> span = buffer.AsBigSpan();span[Array.MaxLength] = 42;

BigMemory<T>和 BigReadOnlyMemory<T>則是可以保存起來的視圖。