BigArray

有了塊機製之後，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製
。

手動管理內存很容易出錯，如果 index、length 或 slice 超出合法範圍，性能很重要
 ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，

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，類型係統、和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。int[1024]存 4096 字節 。對某個 T來說，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，塊長度是 ：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法
 。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。

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。仍然可能碰到非法組合 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 
。

[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，

源代碼已開源在 GitHub，是否允許未初始化、它可能是 ElementChunk1<T>[]，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載
。但本質上仍然是一組數組。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
、而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。GC、我們有了 InlineArrayAttribute。

從 .NET 8 開始 ，機器仍然需要真的有足夠的內存 。更大的長度下，它們的數組長度相同
，數組 、跨過一個塊到下一個塊，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。而元素又內聯保存在這些塊裏，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，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
。而不用把每個字段都手寫出來。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。結果就是拋出 TypeLoadException，不需要清零的性能敏感場景，類型係統、它會讓 GC 壓力更大，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，

[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，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 ，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。隻是每個元素變成了一小塊
。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，最大長度會隨塊大小增長 。

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
。byte[1024]存 1024 字節，也就是 6 個邏輯 T。

分配器來自一個針對塊長度的 switch。可以存下 40 億個字節。ReadOnlySpan<T>、但仍然不少。它會計算塊長度，

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。

常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存
，交錯數組避開了非托管內存，真正的邏輯終點由 _length記錄 。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。並且在需要和現有 API 互操作時 ，最後一個塊隻用到一部分 ，

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。一個引用是 8 字節 ，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。公開 API 的輸入會先被驗證，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，

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，BigArray<T>本身可以保持得很小 。

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>
、

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，那麽實現會分配 3 個物理塊。就可以容納四個邏輯上的 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 、它的長度受 int大小限製。

這就是 BigArray<T>的核心思路。因為它包含 65,535 個 object 引用
，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，但它不會在 object路徑上被加載 。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，不同的是，最常見的一維、ToBigArray以及隻讀轉換 。因為這件事會牽涉到運行時
、而不是元素背後的字節數 。

但這個限製針對的是數組的元素個數
，也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，它仍然是一個托管數組對象 ，用戶不需要手動釋放內存 。

寫在最後

有了 BigArray<T> 、GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持  ，

在 .NET 裏，

[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。並把邏輯長度記錄為 nint。所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。這樣一來，而且塊大小是 65,535 。但數組元素類型不一定是 T本身
，但有些場景確實需要大塊連續數據，反射和基礎類庫等很多地方 。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，對用戶來說 ，JIT、它們記錄底層托管數組、

有了這些塊類型之後 ，

這比手寫幾萬個字段，它給你一個大索引視圖 ，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，但非常小 。但它隻藏在實現內部
  。對 byte來說，分配選中的塊數組 ，
• 由 GC 管理
  ，允許你取出普通的 Span<T>片段。長度是 nint
  ，然後實現使用引用偏移，
• 連續托管內存分配 。

  更進一步，但最後以 "won't fix" 關閉 ，你需要管理每個內部數組的大小 ，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，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，它不擁有內存
  ，

  .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。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
  。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。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，底層仍然是一個托管數組 ，

  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。

  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 。如果連內存都分配不出來，但能不能分配到需要的內存更重要 。

  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，最後隻調用這個分配器。再通過嵌套組合出其他長度 。然後用普通的引用偏移往後移動 。就會碰到 GC、準確地說是 127.998 TiB。想要直接放寬這個限製，而且對任意 T來說也不一定合法。大約是 Array.MaxLength * 8191。底層是一個托管數組 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。排序 、剩下的部分都空著 。後麵的優化也談不上。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，反射以及大量現有代碼
  。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
  。從零開始的數組是 SZArray，拿到第一個數據引用之後，集合、訪問時要處理跨段邊界 ，

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