托管數在 組建超大 上構

於是构建我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，最後隻調用這個分配器 。托管然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的上数组分配器，這裏當然說的构建是理論上限 ，仍然可能碰到非法組合。托管

  using System.Runtime.CompilerServices;[InlineArray(4)]struct FourBytes{     private byte _first;}

  它有一個很方便的上数组地方：InlineArray也能用於引用類型 。公共 API 仍然是构建安全的；對實現來說
  ，

  [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]private static Array AllocateArray<TElement>(int chunks,托管 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。但最後以 "won't fix" 關閉，上数组不同的构建是
  ，再用一個類包起來；另一類是托管用交錯數組模擬一個更大的數組。結果就是上数组拋出 TypeLoadException ，而不是构建元素背後的字節數 。

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。托管對某個 T來說，這樣的類型不能被加載，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，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。塊長度是  ：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。

  sizeof(T)	chunkSize	最壞情況多出的元素數	最壞情況多出的字節數
  1	65535	65534	65534 B
  2	32767	32766	65532 B
  3	21845	21844	65532 B
  4	16383	16382	65528 B
  8	8191	8190	65520 B
  16	4095	4094	65504 B
  257	255	254	65278 B
  32768+	1	0	0 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，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，ToArray 、搜索
  、反射以及大量現有代碼。並且在需要和現有 API 互操作時，比如邏輯長度是 10,000，準確地說是 127.998 TiB。

• 由 GC 管理 ，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，我們有了 InlineArrayAttribute。

  在 .NET 裏 ，如果連內存都分配不出來 ，這樣一來
  ，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。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，

• 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製
  ，而塊大小是 4,095，集合 、GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持
  ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度
  ，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，然後用普通的引用偏移往後移動
  。但非常小。這兩種方案在某些場景下都能用 ，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。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，剩下的部分都空著
  。對 byte來說 ，它的長度受 int大小限製。

• 支持 string和 object之類的引用類型。每個分支都返回一個靜態 lambda，但它不會在 object路徑上被加載。

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。

  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 ，nint本身無法表示更大的索引空間，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。byte能使用的最大塊長度，

  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。

  [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，

基本思路

在 .NET 中 ，大約是 Array.MaxLength * 8191
。類型係統、

[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，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。會在到達這條路徑之前失敗。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，ToBigArray以及隻讀轉換。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，

常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，

源代碼已開源在 GitHub ，普通 .NET 代碼裏 ，JIT、確定這個值之後，那麽實現會分配 3 個物理塊。我們還會用 Span<T> 、

但這個限製針對的是數組的元素個數
，底層仍然是一個托管數組，就可以容納四個邏輯上的 T。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。最大長度會隨塊大小增長。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。性能很重要，並且仍然用一個索引訪問。數組數據區裏連續排列著塊結構體，數組隻是編程模型的一部分
。數組
、但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，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，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
。反射和基礎類庫等很多地方。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，類型係統 、它不擁有內存，交錯數組避開了非托管內存，

更進一步，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，複製 、隻是每個元素變成了一小塊。它們記錄底層托管數組
、底層是一個托管數組，

從 .NET 8 開始，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。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、從零開始的數組是 SZArray ，而且它更適合非托管數據。它可能是 ElementChunk1<T>[]
，

.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。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，但能不能分配到需要的內存更重要 。它會讓 GC 壓力更大 ，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。訪問時要處理跨段邊界 ，也就是 T[]。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。

寫在最後

有了 BigArray<T>、

這比手寫幾萬個字段，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，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 、

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 。隻是每個元素更大 。它仍然是一個托管數組對象，BigArray<T>本身可以保持得很小。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。但數組元素類型不一定是 T本身，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。也可能是 ElementChunk8191<T>[]
，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array
：實際運行時類型取決於 T 。公開 API 的輸入會先被驗證，隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，

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、如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，塊結構體本身也可以組合。拿到第一個數據引用之後，可以寫成 ：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此  ，trim、和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同
。以及是否固定。64 位係統上可以支持更大的範圍。它會計算塊長度，真正的邏輯終點由 _length記錄。byte[1024]存 1024 字節，排序、分配選中的塊數組
，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。但本質上仍然是一組數組。想要直接放寬這個限製，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊
，

65535 / 8 = 8191

nint offset = (nint)5_000_000_000L;Span<byte> window = buffer.AsSpan(offset, length: 4096);

nint length = (nint)10_000_000_000L;BigArray<byte> buffer = new(length);

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;}

public static nint MaxLength =>    nint.Size == 4 ? Array.MaxLength : GetChunkLength() * (nint)Array.MaxLength;

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

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

public readonly ref struct BigSpan<T>{     internal readonly ref T _first;    internal readonly nint _length;}