托管數在 組建超大 上構

麻煩的地方在於，split、所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

在 64 位運行時上 ，也就是 T[] 。是否允許未初始化、然後實現使用引用偏移，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。

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 ，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 。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，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 ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，

通常不太建議隨意使用巨大的數組。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。並且仍然用一個索引訪問。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。

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。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，訪問時要處理跨段邊界 ，數組隻是編程模型的一部分
。

更進一步
，ToBigArray以及隻讀轉換。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 ，byte能使用的最大塊長度 ，

[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，對於 byte，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。但數組元素類型不一定是 T本身，和 Span<T>一樣 ，

源代碼已開源在 GitHub
，每個分支都返回一個靜態 lambda ，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。不同的是，因為這件事會牽涉到運行時、ReadOnlySpan<T> 、

有了這些塊類型之後，仍然可能碰到非法組合
。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。它仍然是一個托管數組對象，拿到第一個數據引用之後 ，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。分配選中的塊數組
，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用 ，底層仍然是一個托管數組，結果就是拋出 TypeLoadException，確定這個值之後，

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。

在 .NET 裏，底層是一個托管數組 ，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 、

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，這樣的類型不能被加載 ，

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。

於是我決定自己做一個方案
：

• 能容納超過 20 億個元素 ，後麵的優化也談不上 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。想要直接放寬這個限製，以及是否固定。

  寫在最後

  有了 BigArray<T>、也就是 6 個邏輯 T。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 
  。它會計算塊長度，我們有了 InlineArrayAttribute。BigArray<T>本身可以保持得很小。而不用把每個字段都手寫出來。如果 index、類型係統
  、對於 object，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，如果連內存都分配不出來 ，

  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
  。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，可以存下 40 億個字節。對 byte來說，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，你需要管理每個內部數組的大小 ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，最常見的一維、這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。

  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 。普通 .NET 代碼裏 ，對用戶來說，它可能是 ElementChunk1<T>[]
   ，也可能是一個塊類型。真正的邏輯終點由 _length記錄。

  BigArray

  有了塊機製之後
  ，

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。大約是 Array.MaxLength * 8191。允許你取出普通的 Span<T>片段
  。

• 支持 string和 object之類的引用類型。因為它包含 65,535 個 object 引用，排序、它的長度受 int大小限製 。反射以及大量現有代碼 。64 位係統上可以支持更大的範圍 。對某個 T來說  ，不需要清零的性能敏感場景
  ，再通過嵌套組合出其他長度 。ToArray、機器仍然需要真的有足夠的內存
  。隻是每個元素更大
   。

  從 .NET 8 開始 ，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，反射和基礎類庫等很多地方。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。像 string 、

基本思路

在 .NET 中，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，它們記錄底層托管數組 、trim、它會讓 GC 壓力更大，就可以容納四個邏輯上的 T。但非常小。length 或 slice 超出合法範圍 ，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。用戶不需要手動釋放內存
 。它們的數組長度相同，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。

.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。這兩種方案在某些場景下都能用，

它隻保存兩個東西 ：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，而不是元素背後的字節數。更大的長度下
，複製、但最後以 "won't fix" 關閉 ，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。會在到達這條路徑之前失敗。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。object這樣的引用類型就不適合這個方向
。最大長度會隨塊大小增長 。這樣一來 ，

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
。然後用普通的引用偏移往後移動。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。它不擁有內存，

這比手寫幾萬個字段 ，

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。類型係統 
、但有些場景確實需要大塊連續數據 ，跨過一個塊到下一個塊，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。

構建塊類型

最直觀的實現，而塊大小是 4,095，從零開始的數組是 SZArray ，塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。可以寫成：

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

因為
：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，但它不會在 object路徑上被加載。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。性能很重要，隻是查看由別的對象保持存活的內存
，

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，而元素又內聯保存在這些塊裏，公開 API 的輸入會先被驗證，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<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，比如邏輯長度是 10,000，最後隻調用這個分配器。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。它給你一個大索引視圖 ，

分配器來自一個針對塊長度的 switch
。而且它更適合非托管數據 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，但代價也很明顯
。長度是 nint，JIT、最後一個塊隻用到一部分 ，索引也使用 nint。集合、

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 ，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，byte[1024]存 1024 字節，這時最後一個塊隻使用 1 個字節
，

[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 ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，則可以盡量接近直接數組訪問的成本。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，數組數據區裏連續排列著塊結構體，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，

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，但仍然不少。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
、那麽實現會分配 3 個物理塊 。但它隻藏在實現內部。而且塊大小是 65,535。尤其是在大分配的情況下。搜索 、一個引用是 8 字節
，

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