類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。

這比手寫幾萬個字段，

手動管理內存很容易出錯，

有了這些塊類型之後，它仍然是一個托管數組對象
，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、

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。然後用普通的引用偏移往後移動。但數組元素類型不一定是 T本身
，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、我們有了 InlineArrayAttribute。交錯數組避開了非托管內存 ，數組數據區裏連續排列著塊結構體，

但這個限製針對的是數組的元素個數，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，它不擁有內存，而且它更適合非托管數據。訪問時要處理跨段邊界 ，而塊大小是 4,095，塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊
 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]
 ，不同的是，像 string、Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。從零開始的數組是 SZArray ，

[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
，是否允許未初始化
、它給你一個大索引視圖，比如邏輯長度是 10,000，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 。想要直接放寬這個限製，BigArray<T>本身可以保持得很小。這樣的類型不能被加載 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。

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 。

寫在最後

有了 BigArray<T>、

在 64 位運行時上  ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。再通過嵌套組合出其他長度。

更進一步
，排序、因為這件事會牽涉到運行時 、但它不會在 object路徑上被加載。這兩種方案在某些場景下都能用，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。length 或 slice 超出合法範圍 ，最常見的一維、

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，索引也使用 nint。它們的數組長度相同 ，反射和基礎類庫等很多地方。也就是 6 個邏輯 T。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，它可能是 ElementChunk1<T>[]，數組 、或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。而且塊大小是 65,535 。它的長度受 int大小限製 。

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。搜索、object這樣的引用類型就不適合這個方向。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走
。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。我們還會用 Span<T> 、不需要清零的性能敏感場景 ，機器仍然需要真的有足夠的內存。數組隻是編程模型的一部分。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。可以寫成 ：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此
 ，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，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。但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，就可以容納四個邏輯上的 T。

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。最後一個塊隻用到一部分  ，並把邏輯長度記錄為 nint。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。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 ，也可能是一個塊類型。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，也就是 65,535 ，確定這個值之後，以及是否固定。你需要管理每個內部數組的大小，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。也就是 T[]。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。一個引用是 8 字節，尤其是在大分配的情況下。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。

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 。然後實現使用引用偏移  ，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段
，真正的邏輯終點由 _length記錄。

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 ，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。最後隻調用這個分配器 。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，對某個 T來說 ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。複製、可以存下 40 億個字節。64 位係統上可以支持更大的範圍。那麽實現會分配 3 個物理塊  。ToBigArray以及隻讀轉換。但代價也很明顯。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素
  ，int[1024]存 4096 字節 。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。公開 API 的輸入會先被驗證，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組 。隨機訪問模式也可能比小數組慢 。

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。最大長度會隨塊大小增長 。

  這就是 BigArray<T>的核心思路。

  構建塊類型

  最直觀的實現，split
  、但最後以 "won't fix" 關閉，就會碰到 GC
  、並且仍然用一個索引訪問 
  。

• 支持 string和 object之類的引用類型。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，

  BigArray

  有了塊機製之後，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。仍然可能碰到非法組合。對於 byte ，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，

  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 。就可以組合出 1 到 65,535 之間任意需要的塊類型：

  var chunkSize = 65535 / Unsafe.SizeOf<T>();var chunks = length / chunkSize + (length % chunkSize == 0 ? 0 : 1);Array array = chunkSize switch{     1 => new ElementChunk1<T>[chunks],    2 => new ElementChunk2<T>[chunks],    3 => new ElementChunk3<T>[chunks],    4 => new ElementChunk2<ElementChunk2<T>>[chunks],    5 => new ElementChunk5<T>[chunks],    6 => new ElementChunk2<ElementChunk3<T>>[chunks],    7 => new ElementChunk7<T>[chunks],    8 => new ElementChunk2<ElementChunk2<ElementChunk2<T>>>[chunks],    9 => new ElementChunk3<ElementChunk3<T>>[chunks],    10 => new ElementChunk2<ElementChunk5<T>>[chunks],    // ...    21845 => new ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>[chunks],    32767 => new ElementChunk7<ElementChunk31<ElementChunk151<T>>>[chunks],    65535 => new ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[chunks],};

  這裏的 chunks表示真實托管數組的長度 ，更大的長度下 ，這裏當然說的是理論上限 ，並且在需要和現有 API 互操作時，如果 index、類型係統、允許你取出普通的 Span<T>片段 
  。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。JIT
  、如果連內存都分配不出來
  ，對於 object，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。

  在 .NET 裏，BigSpan<T>和 BigMemory<T>
   ，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。每個分支都返回一個靜態 lambda，結果就是拋出 TypeLoadException，跨過一個塊到下一個塊，

  BigMemory<byte> page = buffer.AsBigMemory(1024, 4096);page.Span.Fill(0);

  API 的設計則盡量沿用了普通 Span/Memory 的習慣 ：切片 、長度是 nint，

• 支持 NativeAOT  ，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，隻是每個元素變成了一小塊
  。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
  。
• 連續托管內存分配 。它們記錄底層托管數組、集合、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，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，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，

  麻煩的地方在於，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，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。而元素又內聯保存在這些塊裏，它會讓 GC 壓力更大 ，而且對任意 T來說也不一定合法。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。它可以被放進字段或從方法返回，和 Span<T>一樣，性能很重要，底層仍然是一個托管數組，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，