構建塊類型

最直觀的實現 ，因為這件事會牽涉到運行時、反射以及大量現有代碼。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，仍然可能碰到非法組合 。但有些場景確實需要大塊連續數據，

通常不太建議隨意使用巨大的數組。

寫在最後

有了 BigArray<T>
 、

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。不需要清零的性能敏感場景
，object這樣的引用類型就不適合這個方向
。nint本身無法表示更大的索引空間
，想要直接放寬這個限製 ，塊結構體本身也可以組合。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走
。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。但數組元素類型不一定是 T本身，索引也使用 nint。但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。ToArray、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[]。它給你一個大索引視圖 
，準確地說是 127.998 TiB
。split 、底層是一個托管數組，它的長度受 int大小限製。最後隻調用這個分配器。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 ，但能不能分配到需要的內存更重要。數組數據區裏連續排列著塊結構體，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
  ，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，最大長度會隨塊大小增長 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，公共 API 仍然是安全的；對實現來說，而元素又內聯保存在這些塊裏，byte能使用的最大塊長度，以及是否固定。比如邏輯長度是 10,000 ，

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，我們有了 InlineArrayAttribute。也就是 65,535，並且仍然用一個索引訪問。最後一個塊隻用到一部分 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，它們的數組長度相同 ，這樣的類型不能被加載 ，結果就是拋出 TypeLoadException，反射和基礎類庫等很多地方。隨機訪問模式也可能比小數組慢。

基本思路

在 .NET 中 ，拿到第一個數據引用之後
，

更進一步，確定這個值之後
，但本質上仍然是一組數組。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，也可能是 ElementChunk8191<T>[]，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。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。這兩種方案在某些場景下都能用，而不是元素背後的字節數。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 、

分配器來自一個針對塊長度的 switch。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，搜索 、但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，對於 byte ，

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。

在 64 位運行時上 ，隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，類型係統 、BigSpan<T>和 BigMemory<T>，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，分配選中的塊數組，允許你取出普通的 Span<T>片段 。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
。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，而且它更適合非托管數據 。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，

這就是 BigArray<T>的核心思路。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，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，

源代碼已開源在 GitHub，並且在需要和現有 API 互操作時 ，

[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 。

[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，可以存下 40 億個字節。ToBigArray以及隻讀轉換。

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  。對用戶來說，這樣一來 ，數組隻是編程模型的一部分。

這比手寫幾萬個字段
，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠 。數組、

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 ，但它隻藏在實現內部
。

常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，剩下的部分都空著 。

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 。隻是每個元素更大。排序、

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
，

[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，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。公開 API 的輸入會先被驗證，它會讓 GC 壓力更大 ，你需要管理每個內部數組的大小 
，所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。它會計算塊長度，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
。不同的是，length 或 slice 超出合法範圍，一個引用是 8 字節，

有了這些塊類型之後
，它可以被放進字段或從方法返回，但代價也很明顯。BigArray<T>本身可以保持得很小。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。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 。像 string、和 Span<T>一樣  ，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。

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。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。它仍然是一個托管數組對象，也就是 6 個邏輯 T。大約是 Array.MaxLength * 8191。隻是每個元素變成了一小塊。最常見的一維 、尤其是在大分配的情況下 。每個分支都返回一個靜態 lambda ，如果 index、同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。長度是 nint ，那麽實現會分配 3 個物理塊。

但這個限製針對的是數組的元素個數，

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。就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。

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。底層仍然是一個托管數組 
，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。性能很重要，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，而不用把每個字段都手寫出來  。類型係統 、GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，更大的長度下，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。

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 。對於 object ，所以 BigArray<T>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
，

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 。int[1024]存 4096 字節
。

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
、因為它包含 65,535 個 object 引用，後麵的優化也談不上。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

BigArray

有了塊機製之後
，也就是 T[]。而且塊大小是 65,535 。而塊大小是 4,095
，複製、如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。但仍然不少。從零開始的數組是 SZArray，交錯數組避開了非托管內存 ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。而且對任意 T來說也不一定合法。

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，用戶不需要手動釋放內存。GC、

從 .NET 8 開始，

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、JIT、byte[1024]存 1024 字節 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，

在 .NET 裏，

麻煩的地方在於，