在 組建超大托管數 上構

源代碼已開源在 GitHub，int[1024]存 4096 字節 。它們記錄底層托管數組 、我們有了 InlineArrayAttribute
 。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。也就是 T[]。結果就是拋出 TypeLoadException
，真正的邏輯終點由 _length記錄。split 、ReadOnlySpan<T>、避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。比如邏輯長度是 10,000，

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，集合 、64 位係統上可以支持更大的範圍
。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。底層仍然是一個托管數組 ，數組隻是編程模型的一部分 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。而元素又內聯保存在這些塊裏，

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 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了
，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到  。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。它可以被放進字段或從方法返回 ，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。但最後以 "won't fix" 關閉 
，像 string 、JIT、byte[1024]存 1024 字節，然後實現使用引用偏移 ，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。和 Span<T>一樣，分配選中的塊數組 ，

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、而且對任意 T來說也不一定合法
。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，就可以容納四個邏輯上的 T 。ToBigArray以及隻讀轉換 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。

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，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。但它隻藏在實現內部 。但仍然不少。GC、機器仍然需要真的有足夠的內存。反射以及大量現有代碼
。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，它可能是 ElementChunk1<T>[]，

.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。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，搜索 、這樣一來，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。訪問時要處理跨段邊界，也可能是 ElementChunk8191<T>[]，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，那麽實現會分配 3 個物理塊。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，它會計算塊長度 ，對於 byte
，公開 API 的輸入會先被驗證，數組數據區裏連續排列著塊結構體，byte能使用的最大塊長度 ，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度  ，它給你一個大索引視圖，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。也可能是一個塊類型 。所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。用戶不需要手動釋放內存。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，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 。它會讓 GC 壓力更大  ，length 或 slice 超出合法範圍 ，這兩種方案在某些場景下都能用，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，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，我們還會用 Span<T>、

BigArray

有了塊機製之後
，跨過一個塊到下一個塊，

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。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，

麻煩的地方在於，隻是每個元素變成了一小塊 。後麵的優化也談不上。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。尤其是在大分配的情況下。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，trim、每個分支都返回一個靜態 lambda ，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。

構建塊類型

最直觀的實現 ，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 ，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
，

寫在最後

有了 BigArray<T>、以及是否固定
。

從 .NET 8 開始 ，並把邏輯長度記錄為 nint。JIT、

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 、類型係統、剩下的部分都空著 。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。更大的長度下 ，然後用普通的引用偏移往後移動。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素
。反射和基礎類庫等很多地方 。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，因為這件事會牽涉到運行時、性能很重要
，但本質上仍然是一組數組。

[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 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。如果 index 、

這比手寫幾萬個字段，而塊大小是 4,095
，而不用把每個字段都手寫出來。如果連內存都分配不出來，排序、則可以盡量接近直接數組訪問的成本。也就是 65,535，

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，從零開始的數組是 SZArray
，一個引用是 8 字節，

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

因為 ：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。再通過嵌套組合出其他長度。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，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素 ，

  但這個限製針對的是數組的元素個數，

  它隻保存兩個東西
  ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下 ，

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，你需要管理每個內部數組的大小 ，它的長度受 int大小限製 。這裏當然說的是理論上限，

  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。

  在 .NET 裏，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。

  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。就會碰到 GC、是否允許未初始化 、然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器
   ，但最重要的是它的實現  ：真正的分配藏在 lambda 後麵，拿到第一個數據引用之後，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
  ，而且塊大小是 65,535 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，

  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。仍然可能碰到非法組合。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。

  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。準確地說是 127.998 TiB。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。最大長度會隨塊大小增長。對 byte來說，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。但它不會在 object路徑上被加載。長度是 nint，這樣的類型不能被加載
  ，

  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，可以存下 40 億個字節 。複製、因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。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
  ，想要直接放寬這個限製 ，