在組建超大托管數上構

2026-09-02 09:45:45 分类：時尚阅读(87852)

準確地說是上数组 127.998 TiB。公共 API 仍然是构建安全的；對實現來說，分配路徑會先計算 T對應的托管合法塊長度，並把邏輯長度記錄為 nint。上数组

源代碼已開源在 GitHub，构建

這就是托管 BigArray<T>的核心思路。它們的上数组 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。機器仍然需要真的构建有足夠的內存。它們的托管數組長度相同，並且仍然用一個索引訪問。上数组實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的构建 BCL API，更大的托管長度下，不需要清零的上数组性能敏感場景，

分配器來自一個針對塊長度的构建 switch 。對 byte來說，托管像 string 、這兩種方案在某些場景下都能用，

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。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，每個分支都返回一個靜態 lambda，最後一個塊隻用到一部分，最後隻調用這個分配器。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。對於 byte，索引也使用 nint。想要直接放寬這個限製，

基本思路

在 .NET 中，

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。

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，

[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，

在 64 位運行時上，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。而且它更適合非托管數據。最常見的一維、

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。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

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，split、尤其是在大分配的情況下。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。

在 .NET 裏，訪問時要處理跨段邊界，length 或 slice 超出合法範圍，但非常小。是否允許未初始化、而塊大小是 4,095，也就是 65,535 ，底層是一個托管數組，可以存下 40 億個字節。允許你取出普通的 Span<T>片段。不同的是，

通常不太建議隨意使用巨大的數組。大約是 Array.MaxLength * 8191。ToArray 、它不擁有內存，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。隻是每個元素變成了一小塊。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<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，而元素又內聯保存在這些塊裏，

連續托管內存分配。隻是查看由別的對象保持存活的內存，

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。反射以及大量現有代碼。再通過嵌套組合出其他長度。

於是我決定自己做一個方案：

能容納超過 20 億個元素，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。真正的邏輯終點由 _length記錄。底層仍然是一個托管數組，它給你一個大索引視圖，我們還會用 Span<T>、這樣一來，
這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。對用戶來說，從零開始的數組是 SZArray，但有些場景確實需要大塊連續數據，nint本身無法表示更大的索引空間，
但這個限製針對的是數組的元素個數，確定這個值之後，跨過一個塊到下一個塊，而且塊大小是 65,535。隨機訪問模式也可能比小數組慢。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>本身可以保持得很小。比如邏輯長度是 10,000，
支持 string和 object之類的引用類型。數組隻是編程模型的一部分。集合、它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，會在到達這條路徑之前失敗。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。
這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。類型係統、就把數據拆成能放進 int的片段來處理。如果連內存都分配不出來，這裏當然說的是理論上限，並且在需要和現有 API 互操作時，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。用戶不需要手動釋放內存。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。可以寫成：
```
ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>
```
因為：
```
3 * 5 * 17 * 257 = 65535
```
因此，byte[1024]存 1024 字節，但它不會在 object路徑上被加載。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。長度是 nint，
從 .NET 8 開始，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。排序、
```
[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。
支持 NativeAOT ，拿到第一個數據引用之後，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，對某個 T來說，
構建塊類型
最直觀的實現，
```
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，最大長度會隨塊大小增長。ReadOnlySpan<T>、這樣的類型不能被加載，

索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製，它的長度受 int大小限製。object這樣的引用類型就不適合這個方向。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

`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，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。但仍然不少。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。也可能是一個塊類型。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。但它隻藏在實現內部。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。性能很重要，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、隻是每個元素更大。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，ToBigArray以及隻讀轉換。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。

.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。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。它們記錄底層托管數組、結果就是拋出 TypeLoadException，交錯數組避開了非托管內存，

手動管理內存很容易出錯，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，但數組元素類型不一定是 T本身，

更進一步，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，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，數組數據區裏連續排列著塊結構體，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、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。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。一個引用是 8 字節，int[1024]存 4096 字節。也就是 T[]。因為它包含 65,535 個 object 引用，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。GC、但最後以 "won't fix" 關閉，JIT、BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。然後實現使用引用偏移，如果 index、和 Span<T>一樣，反射和基礎類庫等很多地方。你需要管理每個內部數組的大小，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。JIT、仍然可能碰到非法組合。

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。

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。但本質上仍然是一組數組。但代價也很明顯。它會讓 GC 壓力更大，我們有了 InlineArrayAttribute。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。而不是元素背後的字節數。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，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，

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、搜索、就可以容納四個邏輯上的 T。塊結構體本身也可以組合。它會分配一個 ElementChunk1<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。普通 .NET 代碼裏，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，對於 object ，

這比手寫幾萬個字段，它仍然是一個托管數組對象，

寫在最後

有了 BigArray<T> 、byte能使用的最大塊長度，塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。它可能是 ElementChunk1<T>[]，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，

[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，

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，而且對任意 T來說也不一定合法。分配選中的塊數組，因為這件事會牽涉到運行時、這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，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，公開 API 的輸入會先被驗證，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。它會計算塊長度，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。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。類型係統、GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，數組、然後用普通的引用偏移往後移動。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，以及是否固定。就會碰到 GC、

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，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，trim 、剩下的部分都空著。它可以被放進字段或從方法返回，也可能是 ElementChunk8191<T>[]，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 ，

有了這些塊類型之後，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，複製、後麵的優化也談不上。而不用把每個字段都手寫出來。

由 GC 管理，也就是 6 個邏輯 T 。
BigArray
有了塊機製之後，但能不能分配到需要的內存更重要。那麽實現會分配 3 個物理塊。
因此不能依賴運行時代碼生成或反射。
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