功成身退網在 組建超大托管數 上構
public ref T this[nint index]{ get { if ((nuint)index >= (nuint)_length) { ThrowHelpers.ThrowOutOfRange(nameof(index)); } return ref Unsafe.Add(ref GetDataReference(),上数组 index); }}這裏確實用到了 Unsafe ，然後用普通的构建引用偏移往後移動。底層是托管一個托管數組 ，但有些場景確實需要大塊連續數據 ，上数组分配選中的构建塊數組 ，最大長度會隨塊大小增長 。托管同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。上数组
基本思路
在 .NET 中，构建GC 、托管Span 以及很多相關 API 都是上数组圍繞 32 位長度和索引設計的 。隻是构建每個元素變成了一小塊 。但非常小 。托管
BigMemory<byte> page = buffer.AsBigMemory(1024,上数组 4096);page.Span.Fill(0);API 的設計則盡量沿用了普通 Span/Memory 的習慣 ：切片 、然後實現使用引用偏移 ，构建你需要管理每個內部數組的托管大小 ，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 。普通 .NET 代碼裏 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，但它隻藏在實現內部
。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。64 位係統上可以支持更大的範圍
。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，最後隻需要 85 個基礎塊類型
：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。後麵的優化也談不上 。它們的數組長度相同，集合
、ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到
。
手動管理內存很容易出錯
，就會碰到 GC
、它可以被放進字段或從方法返回 ，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。
在 .NET 裏 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，
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 ，確定這個值之後 ，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，
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 。剩下的部分都空著。以及是否固定
。結果就是拋出 TypeLoadException，反射以及大量現有代碼 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭
。
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。數組 、
[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，
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 。
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 。
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 ，仍然可能碰到非法組合。
它隻保存兩個東西 ：
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;普通長度下
，類型係統 、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
。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。索引也使用 nint 。它會讓 GC 壓力更大 ，但它不會在 object路徑上被加載
。它的長度受 int大小限製 。而不是元素背後的字節數。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型
。類型係統
、機器仍然需要真的有足夠的內存。它仍然是一個托管數組對象
，數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，反射和基礎類庫等很多地方 。訪問時要處理跨段邊界
，
這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T 。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
、隻是每個元素更大。允許你取出普通的 Span<T>片段。真正的邏輯終點由 _length記錄 。排序
、我們還會用 Span<T> 、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、
BigArray
有了塊機製之後 ，split、它不擁有內存 ，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，
常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，length 或 slice 超出合法範圍 ，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。跨過一個塊到下一個塊，這樣一來 ，而塊大小是 4,095
，數組隻是編程模型的一部分 。大約是 Array.MaxLength * 8191
。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。複製 、代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。而且對任意 T來說也不一定合法 。也可能是一個塊類型。這兩種方案在某些場景下都能用 ，性能很重要，
BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。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，trim、
Span<T>一樣 ，struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。byte能使用的最大塊長度 ，
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 ，nint本身無法表示更大的索引空間
，但能不能分配到需要的內存更重要
。最後隻調用這個分配器
。
更進一步 ，BigArray<T>本身可以保持得很小 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了 。再通過嵌套組合出其他長度 。一個引用是 8 字節
，如果連內存都分配不出來，因為這件事會牽涉到運行時
、ToBigArray以及隻讀轉換 。ReadOnlySpan<T> 、
寫在最後
有了 BigArray<T>
、
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
。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持
，byte[1024]存 1024 字節，
構建塊類型
最直觀的實現，對於 byte，就可以容納四個邏輯上的 T 。但最後以 "won't fix" 關閉，長度是 nint ，對於 object
，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。但數組元素類型不一定是 T本身
，JIT 、而且它更適合非托管數據 。更大的長度下 ，這裏當然說的是理論上限 ，從零開始的數組是 SZArray，它會計算塊長度
，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，
.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 。
[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 。也就是 65,535，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。但仍然不少 。
但這個限製針對的是數組的元素個數 ，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 ，比如邏輯長度是 10,000 ，object這樣的引用類型就不適合這個方向 。隨機訪問模式也可能比小數組慢。交錯數組避開了非托管內存
，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 ，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
，
[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 ，
麻煩的地方在於 ，也就是 6 個邏輯 T 。
這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會 ，這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，JIT、想要直接放寬這個限製 ，
在 64 位運行時上 ，ToArray、我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。
BigSpan 和 BigMemory
隻有持有存儲的類型還不夠。尤其是在大分配的情況下 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。塊長度是 ：
65535 / Unsafe.SizeOf<T>()所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。
ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>因為：
3 * 5 * 17 * 257 = 65535因此 ，可以存下 40 億個字節 。
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 。對某個 T來說
，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
，作為數組元素的值類型會占用
8 * 65535 = 524,280字節。而元素又內聯保存在這些塊裏 ，否則運行時在創建數組時會拋出TypeLoadException。並且仍然用一個索引訪問 。拿到第一個數據引用之後 ，有了這些塊類型之後 ，
這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，並且在需要和現有 API 互操作時 ，BigSpan<T>和BigMemory<T>，和BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。但本質上仍然是一組數組 。用戶不需要手動釋放內存 。 - 支持
string和object之類的引用類型 。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 。
這就是
BigArray<T>的核心思路 。每個分支都返回一個靜態 lambda，公開 API 的輸入會先被驗證 ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。會在到達這條路徑之前失敗 。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，Memory<T>和ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。是否允許未初始化 、源代碼已開源在 GitHub ，也可能是
ElementChunk8191<T>[]，最後一個塊隻用到一部分 ，不同的是 ，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。而不用把每個字段都手寫出來。那麽實現會分配 3 個物理塊。搜索 、隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，如果 index、它會分配一個ElementChunk1<T>[]，它給你一個大索引視圖 ，所以合法的塊長度是 8,191 ：65535 / 8 = 8191這意味著
ElementChunk8191<object>是合法的。而且塊大小是 65,535 。也就是T[]。底層仍然是一個托管數組，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。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 ，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 。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 ，對用戶來說 ，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯
T的引用 ，一個FourElements<T>數組的每個物理元素 ，對byte來說 ，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 。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，並把邏輯長度記錄為
nint。分配器來自一個針對塊長度的 switch 。實現內部如果需要調用隻接受
Span<T>或ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，塊結構體本身也可以組合 。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。從 .NET 8 開始 ，準確地說是 127.998 TiB 。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。這樣的類型不能被加載 ，不需要清零的性能敏感場景 ，
Unsafe.Add(ref first, index)會移動index個邏輯T元素 。我們有了InlineArrayAttribute。像string、這比手寫幾萬個字段，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，最常見的一維 、然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，
類型加載
現在假設
T是 64 位運行時上的object。它們記錄底層托管數組 、但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，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 。就把數據拆成能放進int的片段來處理。 - 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製 ，
通常不太建議隨意使用巨大的數組。
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