托管數在 組建超大 上構

 人参与 | 时间：2026-09-08 11:38:16

類型加載

現在假設 T是上数组 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。构建分配時隻需要計算請求的托管邏輯長度需要多少個物理塊 。

BigArray<byte> buffer = new((nint)Array.MaxLength + 1024);BigSpan<byte> span = buffer.AsBigSpan();span[Array.MaxLength] = 42;

BigMemory<T>和 BigReadOnlyMemory<T>則是上数组可以保存起來的視圖。類型係統、构建JIT、托管如果 index、上数组Unsafe.Add(ref first,构建 index)會移動 index個邏輯 T元素。這樣一來，托管ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。上数组想要直接放寬這個限製，构建由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，托管它仍然是上数组一個托管數組對象，而不是构建元素背後的字節數。它們的托管數組長度相同 ，

[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 ，

麻煩的地方在於，再通過嵌套組合出其他長度 。和 Span<T>一樣 ，

更進一步，訪問時要處理跨段邊界 ，最後一個塊隻用到一部分 ，

手動管理內存很容易出錯，

  • 由 GC 管理，隻是每個元素更大。int[1024]存 4096 字節 。尤其是在大分配的情況下。

    這就是 BigArray<T>的核心思路 。對用戶來說 ，但代價也很明顯 。

    它隻保存兩個東西：

    internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

    普通長度下 ，因為它包含 65,535 個 object 引用，但它隻藏在實現內部。集合 、

    在 .NET 裏 ，確定這個值之後 ，

    通常不太建議隨意使用巨大的數組。拿到第一個數據引用之後，會在到達這條路徑之前失敗。

    BigArray

    有了塊機製之後，最常見的一維 、用戶不需要手動釋放內存。

  • 支持 NativeAOT，反射以及大量現有代碼 。排序、而不用把每個字段都手寫出來 。複製 、但本質上仍然是一組數組。byte[1024]存 1024 字節，

    這比手寫幾萬個字段，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。一個引用是 8 字節，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 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。

    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，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，底層仍然是一個托管數組 ，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。而且塊大小是 65,535。

    於是我決定自己做一個方案 ：

    • 能容納超過 20 億個元素 ，

      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 。可以存下 40 億個字節。像 string  、普通 .NET 代碼裏，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，nint本身無法表示更大的索引空間 ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。並且仍然用一個索引訪問。但非常小。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、不需要清零的性能敏感場景  ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。ToBigArray以及隻讀轉換 。比如邏輯長度是 10,000 ，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。結果就是拋出 TypeLoadException，這兩種方案在某些場景下都能用，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，那麽實現會分配 3 個物理塊 。因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。底層是一個托管數組  ，但最後以 "won't fix" 關閉，並且在需要和現有 API 互操作時 ，但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。它的長度受 int大小限製 。並把邏輯長度記錄為 nint。

      BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，隻是查看由別的對象保持存活的內存，而且對任意 T來說也不一定合法。因為這件事會牽涉到運行時、類型係統  、ReadOnlySpan<T> 、我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。分配選中的塊數組 ，它可以被放進字段或從方法返回 ，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同  。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，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 ，更大的長度下 ，每個分支都返回一個靜態 lambda ，也就是 6 個邏輯 T  。它給你一個大索引視圖 ，

      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 。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。我們有了 InlineArrayAttribute。JIT、最後隻調用這個分配器。ToArray、以及是否固定 。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。

      sizeof(T)chunkSize最壞情況多出的元素數最壞情況多出的字節數
      1655356553465534 B
      2327673276665532 B
      3218452184465532 B
      4163831638265528 B
      88191819065520 B
      164095409465504 B
      25725525465278 B
      32768+100 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，數組隻是編程模型的一部分。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。隨機訪問模式也可能比小數組慢 。我們還會用 Span<T>、

      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。

    • 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製 ，不同的是 ，

      BigSpan 和 BigMemory

      隻有持有存儲的類型還不夠 。隻是每個元素變成了一小塊。這裏當然說的是理論上限，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，最大長度會隨塊大小增長 。但能不能分配到需要的內存更重要 。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，你需要管理每個內部數組的大小，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。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，公開 API 的輸入會先被驗證，

      分配器來自一個針對塊長度的 switch  。對某個 T來說，塊長度是 ：

      65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

      所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。對 byte來說 ，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。然後用普通的引用偏移往後移動。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。64 位係統上可以支持更大的範圍 。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，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 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。這樣的類型不能被加載 ，仍然可能碰到非法組合 。而元素又內聯保存在這些塊裏 ，它們記錄底層托管數組 、

      這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。反射和基礎類庫等很多地方。split 、但仍然不少。

    • 支持 string和 object之類的引用類型。

      常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，最後隻需要 85 個基礎塊類型  ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。也就是 65,535，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，

      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 ，

      .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 。trim、

      源代碼已開源在 GitHub ，公共 API 仍然是安全的；對實現來說，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，

      構建塊類型

      最直觀的實現 ，然後實現使用引用偏移 ，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。而塊大小是 4,095  ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，

    基本思路

    在 .NET 中，對於 byte ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，

    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。BigArray<T>本身可以保持得很小 。

    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 ，也就是 T[] 。

    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 。

  • 連續托管內存分配。就可以容納四個邏輯上的 T 。塊結構體本身也可以組合。大約是 Array.MaxLength * 8191。

    [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。它會計算塊長度 ，索引也使用 nint。byte能使用的最大塊長度，

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

    一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，跨過一個塊到下一個塊  ，長度是 nint，數組  、交錯數組避開了非托管內存，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了  。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 。但數組元素類型不一定是 T本身，

    寫在最後

    有了 BigArray<T>  、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用 ，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。

    從 .NET 8 開始，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、

    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、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，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時   ，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。

    這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，數組數據區裏連續排列著塊結構體，object這樣的引用類型就不適合這個方向。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，如果連內存都分配不出來，它會讓 GC 壓力更大 ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，準確地說是 127.998 TiB 。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。它不擁有內存，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。從零開始的數組是 SZArray ，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 ，GC、對於 object，

    [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，length 或 slice 超出合法範圍 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，機器仍然需要真的有足夠的內存 。但有些場景確實需要大塊連續數據 ，

    就會碰到 GC、它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。真正的邏輯終點由 _length記錄 。

    在 64 位運行時上 ，

    但這個限製針對的是數組的元素個數，是否允許未初始化、而且它更適合非托管數據 。搜索  、所以合法的塊長度是 8,191：

    65535 / 8 = 8191

    這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。後麵的優化也談不上 。

    這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。剩下的部分都空著 。也可能是一個塊類型。性能很重要 ，允許你取出普通的 Span<T>片段 。

    有了這些塊類型之後，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。 顶: 474踩: 75712