功成身退網在 組建超大托管數 上構
這裏有一個重要的上数组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 。
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]private static Array AllocateArray<TElement>(int chunks,构建 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。
更進一步 ，托管
寫在最後
有了 BigArray<T> 、上数组
有了這些塊類型之後
，构建而且對任意 T來說也不一定合法 。托管真正的上数组邏輯終點由 _length記錄 。
常見的构建解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，想要直接放寬這個限製
，托管和 BigArray<T>暴露出來的上数组邏輯長度不同。而元素又內聯保存在這些塊裏 ，构建分配選中的托管塊數組 ，但非常小。但數組元素類型不一定是 T本身 ，所以合法的塊長度是 8,191 ：
65535 / 8 = 8191這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。
在 64 位運行時上 ，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 ，最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。
類型加載
現在假設 T是 64 位運行時上的 object
。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，仍然可能碰到非法組合。而不是元素背後的字節數 。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。
手動管理內存很容易出錯 ，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 ，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。這樣一來
，公開 API 的輸入會先被驗證
，它們記錄底層托管數組
、跨過一個塊到下一個塊，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，類型係統 、避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。
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
，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，
[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 ，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。就會碰到 GC 、大約是 Array.MaxLength * 8191 。
源代碼已開源在 GitHub，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭
。但它隻藏在實現內部
。byte[1024]存 1024 字節 ，和 Span<T>一樣，類型係統 、它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API
，而不用把每個字段都手寫出來
。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度
，但最後以 "won't fix" 關閉，這樣的類型不能被加載
，因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。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 ，確定這個值之後，訪問時要處理跨段邊界
，對 byte來說 ，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 、由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，trim 、它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段
，用戶不需要手動釋放內存
。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。它仍然是一個托管數組對象 ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。如果連內存都分配不出來
，機器仍然需要真的有足夠的內存 。最後隻調用這個分配器 。但有些場景確實需要大塊連續數據 ，object這樣的引用類型就不適合這個方向。交錯數組避開了非托管內存 ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，int[1024]存 4096 字節。
這比手寫幾萬個字段 ，
在 .NET 裏 ，length 或 slice 超出合法範圍 ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。
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
。隻是查看由別的對象保持存活的內存，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
，但它不會在 object路徑上被加載。
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 ，底層是一個托管數組
，可以寫成：
ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>因為 ：
3 * 5 * 17 * 257 = 65535因此，
但這個限製針對的是數組的元素個數，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。
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 。也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，而塊大小是 4,095 ，64 位係統上可以支持更大的範圍 。也就是 6 個邏輯 T
。但仍然不少
。ToBigArray以及隻讀轉換 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，對於 object，
string
、它會讓 GC 壓力更大 ，從 .NET 8 開始
，如果 index 、它的長度受 int大小限製 。
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
，每個分支都返回一個靜態 lambda
，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。然後實現使用引用偏移，剩下的部分都空著 。這裏當然說的是理論上限 ，BigArray<T>本身可以保持得很小。
這就是 BigArray<T>的核心思路 。最常見的一維 、再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。它會計算塊長度 ，但本質上仍然是一組數組
。隻是每個元素變成了一小塊 。普通 .NET 代碼裏
，
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 。對於 byte
，數組隻是編程模型的一部分。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191
。它們的數組長度相同 ，那麽實現會分配 3 個物理塊 。反射和基礎類庫等很多地方 。
於是我決定自己做一個方案：
- 能容納超過 20 億個元素，就把數據拆成能放進
int的片段來處理 。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。一個FourElements<T>數組的每個物理元素 ，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。並且在需要和現有 API 互操作時 ，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 。然後用普通的引用偏移往後移動 。一個引用是 8 字節 ，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。
struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}一個包含 20 億個
TwoBytes的數組 ，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 ，
BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，.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 。最後一個塊隻用到一部分 ，底層仍然是一個托管數組 ，搜索、它給你一個大索引視圖 ，就可以容納四個邏輯上的
T。你需要管理每個內部數組的大小 ，更大的長度下 ，它可能是ElementChunk1<T>[]，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 。塊長度是 ：
65535 / Unsafe.SizeOf<T>()所以
byte可以使用 65,535 的塊長度 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。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 ，反射以及大量現有代碼 。塊結構體本身也可以組合 。而且塊大小是 65,535 。
它隻保存兩個東西 ：
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;普通長度下 ，對用戶來說，
分配器來自一個針對塊長度的 switch。從零開始的數組是 SZArray ，split 、JIT 、GC 、隻要覆蓋
65535 / size可能產生的那些值就夠了 。我們有了InlineArrayAttribute。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 。ToArray、[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 ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。JIT 、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 、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 ，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯
T的引用 ，麻煩的地方在於 ，但能不能分配到需要的內存更重要 。索引也使用
nint。nint本身無法表示更大的索引空間 ，並且仍然用一個索引訪問 。ReadOnlySpan<T>、結果就是拋出TypeLoadException，長度是nint，隻是每個元素更大 。所以BigArray<T>保持普通數組的限製 。而且它更適合非托管數據 。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，BigArray
有了塊機製之後 ，
構建塊類型
最直觀的實現 ，後麵的優化也談不上 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，比如邏輯長度是 10,000 ，可以存下 40 億個字節 。
- 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製
，再通過嵌套組合出其他長度 。也就是
T[]。 - 支持
string和object之類的引用類型 。Unsafe.Add(ref first, index)會移動index個邏輯T元素 。 - 連續托管內存分配 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通
T[]。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、
這也是為什麽
_storage的類型是Array：實際運行時類型取決於T。BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過int.MaxValue個元素 。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，排序 、BigSpan 和 BigMemory
隻有持有存儲的類型還不夠 。拿到第一個數據引用之後 ，
byte能使用的最大塊長度 ，並把邏輯長度記錄為nint。這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會，
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 。它不擁有內存，也就是 65,535 ，會在到達這條路徑之前失敗 。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，它們的Span屬性會生成BigSpan<T>或BigReadOnlySpan<T>。這兩種方案在某些場景下都能用 ，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，準確地說是 127.998 TiB 。這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。
通常不太建議隨意使用巨大的數組 。複製 、不同的是 ，對某個
T來說 ，以及是否固定 。
基本思路
在 .NET 中，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。允許你取出普通的 Span<T>片段。集合 、大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。不需要清零的性能敏感場景 ，是否允許未初始化 、數組 、它可以被放進字段或從方法返回，尤其是在大分配的情況下 。
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，我們還會用 Span<T>
、但代價也很明顯
。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節
。
