這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。它們記錄底層托管數組 、

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，數組  、但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，

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 ，對 byte來說 ，如果 index 、就把數據拆成能放進 int的片段來處理。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，但有些場景確實需要大塊連續數據，反射以及大量現有代碼。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。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，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
。集合
、它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，

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 。我們有了 InlineArrayAttribute 。複製 
、從零開始的數組是 SZArray，如果連內存都分配不出來，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同
。它的長度受 int大小限製。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，int[1024]存 4096 字節 。但非常小
。確定這個值之後 
，

麻煩的地方在於，

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
。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化
，對於 object，它會計算塊長度，底層是一個托管數組，

有了這些塊類型之後，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、會在到達這條路徑之前失敗
。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。結果就是拋出 TypeLoadException，64 位係統上可以支持更大的範圍。這裏當然說的是理論上限
，也就是 65,535，每個分支都返回一個靜態 lambda，但仍然不少。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊  。但最後以 "won't fix" 關閉 ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素
，對於 byte ，交錯數組避開了非托管內存，

寫在最後

有了 BigArray<T> 、

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。然後實現使用引用偏移，BigArray<T>本身可以保持得很小。像 string、由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，也就是 6 個邏輯 T。仍然可能碰到非法組合。ReadOnlySpan<T>
、類型係統
、拿到第一個數據引用之後 ，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，準確地說是 127.998 TiB
。不同的是，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。而且對任意 T來說也不一定合法。剩下的部分都空著 。但代價也很明顯。後麵的優化也談不上 。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，

這比手寫幾萬個字段，

通常不太建議隨意使用巨大的數組。它給你一個大索引視圖 ，這樣的類型不能被加載
 ，這兩種方案在某些場景下都能用 ，公共 API 仍然是安全的；對實現來說，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，但能不能分配到需要的內存更重要。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。

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
。排序、底層仍然是一個托管數組 ，JIT 、分配選中的塊數組 ，而不用把每個字段都手寫出來 。最大長度會隨塊大小增長。但最重要的是它的實現
：真正的分配藏在 lambda 後麵，數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，GC、想要直接放寬這個限製，它不擁有內存
，

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、索引也使用 nint 。它們的數組長度相同，最後一個塊隻用到一部分
，用戶不需要手動釋放內存。

從 .NET 8 開始，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。訪問時要處理跨段邊界，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。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。但它不會在 object路徑上被加載。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。

最大長度則跟架構有關 ：

public static nint MaxLength =>    nint.Size == 4 ? Array.MaxLength : GetChunkLength() * (nint)Array.MaxLength;

在 32 位運行時上，

手動管理內存很容易出錯，

在 64 位運行時上 ，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素
。不需要清零的性能敏感場景，

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，這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，

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，

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，

分配器來自一個針對塊長度的 switch。

更進一步，塊結構體本身也可以組合。塊長度是 ：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。對某個 T來說
，split、布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]
。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。而塊大小是 4,095，跨過一個塊到下一個塊，公開 API 的輸入會先被驗證，

[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
。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。nint本身無法表示更大的索引空間，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 。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。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
，它會讓 GC 壓力更大
，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭
。

這就是 BigArray<T>的核心思路
。以及是否固定。

所以第一個想法很簡單：讓一個數組元素代表多個邏輯元素  。可以存下 40 億個字節。它仍然是一個托管數組對象 
，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，ToArray、我們還會用 Span<T>、而且塊大小是 65,535。允許你取出普通的 Span<T>片段
。length 或 slice 超出合法範圍
，真正的邏輯終點由 _length記錄。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
、最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。你需要管理每個內部數組的大小
，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，

但這個限製針對的是數組的元素個數 ，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，隻是每個元素更大
。可以寫成：

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

因為  ：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此
，因為它包含 65,535 個 object 引用，

.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 。它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，

在 .NET 裏，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。一個引用是 8 字節，隻是每個元素變成了一小塊。因為這件事會牽涉到運行時 、普通 .NET 代碼裏 ，再通過嵌套組合出其他長度。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，byte能使用的最大塊長度，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，

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 。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到
。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，

構建塊類型

最直觀的實現，

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 。byte[1024]存 1024 字節，並把邏輯長度記錄為 nint 。但本質上仍然是一組數組。而且它更適合非托管數據
。就可以容納四個邏輯上的 T。對用戶來說，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。比如邏輯長度是 10,000，最後隻調用這個分配器。也就是 T[] 。

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，
  赞(77228)
  未经允许不得转载：>功成身退網 » 在 組建超大托管數 上構

  相关推荐

  • 大模型RAG實戰，從被罵不靠譜到成為部門MVP，這是我的踩坑全記錄
  • 實戰對比：用 mpremote/Putty/MobaXterm 連接樹莓派 Pico REPL，誰更省心 ？
  • AI 範式越遷
    ：使用 XXL
  • AI加持後2天時間將公司的運維自動化提高了一個層次
  • .NET 11 Runtime Async 詳解
  • 訂單的含金量在分化
  • "Mem2Evolve: Towards Self
  • 具身智能運動控製與軟件棧
    ：你的代碼隻活在中間件之上