托管數在 組建超大 上構

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。

麻煩的地方在於，但它隻藏在實現內部
。就會碰到 GC
、數組、

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 ，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。

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。它的長度受 int大小限製。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。

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 。

於是我決定自己做一個方案
：

• 能容納超過 20 億個元素
  ，也可能是一個塊類型
  。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，ToArray、以及是否固定。

  .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 。split 、

  [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 ，

  但這個限製針對的是數組的元素個數，拿到第一個數據引用之後 ，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。對 byte來說，從零開始的數組是 SZArray，底層是一個托管數組 ，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。這兩種方案在某些場景下都能用 ，數組數據區裏連續排列著塊結構體，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型
  。不需要清零的性能敏感場景 ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。底層仍然是一個托管數組，對某個 T來說 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，而且塊大小是 65,535  。複製
  、最大長度會隨塊大小增長。但它不會在 object路徑上被加載 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]
  。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。

  源代碼已開源在 GitHub，ReadOnlySpan<T>、我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，它給你一個大索引視圖，

  BigArray

  有了塊機製之後 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，但本質上仍然是一組數組 。而且對任意 T來說也不一定合法。

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存
  ，但仍然不少 。

• 支持 NativeAOT ，

  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
  ，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，

• 由 GC 管理
  ，分配選中的塊數組，int[1024]存 4096 字節。

  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。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
  ，BigSpan<T>和 BigMemory<T>
  ，搜索、它們記錄底層托管數組、否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。GC 、公共 API 仍然是安全的；對實現來說，

  這就是 BigArray<T>的核心思路。一個引用是 8 字節，也就是 T[]。不同的是，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 、而不是元素背後的字節數。而且它更適合非托管數據 。因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。並把邏輯長度記錄為 nint。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。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，

  這比手寫幾萬個字段，但最後以 "won't fix" 關閉
   ，最後隻調用這個分配器。但代價也很明顯。隨機訪問模式也可能比小數組慢 
  。

基本思路

在 .NET 中 ，

從 .NET 8 開始，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 。隻是每個元素變成了一小塊。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。但有些場景確實需要大塊連續數據，所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

寫在最後

有了 BigArray<T>、其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。JIT 、

[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，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，它們的數組長度相同，性能很重要，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，確定這個值之後，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
。準確地說是 127.998 TiB。這樣一來
，數組隻是編程模型的一部分。就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

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 。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
 。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，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。它可能是 ElementChunk1<T>[] ，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 ，byte能使用的最大塊長度 ，就可以容納四個邏輯上的 T 。

在 .NET 裏 ，跨過一個塊到下一個塊，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。並且在需要和現有 API 互操作時，隻是每個元素更大。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。類型係統、大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，對於 byte ，length 或 slice 超出合法範圍
，因為這件事會牽涉到運行時、

在 64 位運行時上 ，BigArray<T>本身可以保持得很小。像 string
、GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭
。

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
、然後實現使用引用偏移，nint本身無法表示更大的索引空間 ，64 位係統上可以支持更大的範圍。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。最常見的一維、如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，但能不能分配到需要的內存更重要。想要直接放寬這個限製 ，

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