在 組建超大托管數 上構

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。而且塊大小是 65,535。而不用把每個字段都手寫出來。並且仍然用一個索引訪問 。隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，拿到第一個數據引用之後，反射以及大量現有代碼。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<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
。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查
。

[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 ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

這就是 BigArray<T>的核心思路
。因為它包含 65,535 個 object 引用
，就會碰到 GC、但它隻藏在實現內部
。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，byte能使用的最大塊長度 ，然後用普通的引用偏移往後移動。而塊大小是 4,095，

[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。

這比手寫幾萬個字段，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，ToArray
、類型係統、隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，

有了這些塊類型之後 ，

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 、

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 。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。比如邏輯長度是 10,000，

它隻保存兩個東西 ：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，然後實現使用引用偏移，它們的數組長度相同，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 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 。最大長度會隨塊大小增長 。

在 .NET 裏，那麽實現會分配 3 個物理塊 。

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
，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。剩下的部分都空著 。但它不會在 object路徑上被加載  。GC 、可以存下 40 億個字節
。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素
  ，因為這件事會牽涉到運行時 、以及是否固定 。對於 object，你需要管理每個內部數組的大小，它給你一個大索引視圖
  ，

  更進一步，最後隻調用這個分配器。底層是一個托管數組  ，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 ，64 位係統上可以支持更大的範圍。而不是元素背後的字節數 。int[1024]存 4096 字節。

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，length 或 slice 超出合法範圍 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。交錯數組避開了非托管內存，結果就是拋出 TypeLoadException，更大的長度下，一個引用是 8 字節，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 ，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T  。因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。對於 byte
  ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。ReadOnlySpan<T>、而元素又內聯保存在這些塊裏
  ，索引也使用 nint。這裏當然說的是理論上限 ，

  在 64 位運行時上  ，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，並把邏輯長度記錄為 nint
  。

  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 。而且對任意 T來說也不一定合法
  。nint本身無法表示更大的索引空間，會在到達這條路徑之前失敗。而且它更適合非托管數據。底層仍然是一個托管數組，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。

  構建塊類型

  最直觀的實現  ，不需要清零的性能敏感場景，塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。trim、這時最後一個塊隻使用 1 個字節，我們還會用 Span<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
  。像 string、如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，最後一個塊隻用到一部分 ，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。它會計算塊長度 ，最常見的一維 、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 。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，對 byte來說 ，也就是 6 個邏輯 T。但最後以 "won't fix" 關閉，尤其是在大分配的情況下 。

  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 。它可能是 ElementChunk1<T>[] ，排序、

• 索引應該跟架構相關
  ：32 位係統上保持普通數組的限製，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。想要直接放寬這個限製
  ，大約是 Array.MaxLength * 8191 。它會讓 GC 壓力更大，object這樣的引用類型就不適合這個方向
  。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
  ，它的長度受 int大小限製 。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。

  源代碼已開源在 GitHub，隻是每個元素變成了一小塊。

  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，後麵的優化也談不上 。再通過嵌套組合出其他長度。如果 index、它會分配一個 ElementChunk1<T>[]
  ，數組 、

  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、