托管數在 組建超大 上構

構建塊類型

最直觀的實現，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。可以寫成 ：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。

在 .NET 裏
，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。byte[1024]存 1024 字節
，

寫在最後

有了 BigArray<T> 、它的長度受 int大小限製 。更大的長度下，

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 。而不用把每個字段都手寫出來。而不是元素背後的字節數 。對於 byte ，它可以被放進字段或從方法返回，64 位係統上可以支持更大的範圍 。

這比手寫幾萬個字段，

這就是 BigArray<T>的核心思路 。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 。跨過一個塊到下一個塊 ，BigSpan<T>和 BigMemory<T>
 ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。

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，

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。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，

源代碼已開源在 GitHub，隻是查看由別的對象保持存活的內存，

但這個限製針對的是數組的元素個數，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段
，它們記錄底層托管數組 、結果就是拋出 TypeLoadException，普通 .NET 代碼裏 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，確定這個值之後，

.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
。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]
，

通常不太建議隨意使用巨大的數組。

常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，因為它包含 65,535 個 object 引用
 ，反射和基礎類庫等很多地方。

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，int[1024]存 4096 字節。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。隻是每個元素變成了一小塊。集合、對用戶來說，也就是 65,535，不同的是，用戶不需要手動釋放內存 。剩下的部分都空著 。機器仍然需要真的有足夠的內存。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，以及是否固定。我們有了 InlineArrayAttribute。最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。這裏當然說的是理論上限 ，它給你一個大索引視圖，每個分支都返回一個靜態 lambda，最後隻調用這個分配器。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

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 、ToArray 、

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。一個引用是 8 字節 ，它會讓 GC 壓力更大
，也可能是一個塊類型
。

麻煩的地方在於
，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
  。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。準確地說是 127.998 TiB 。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖
  。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。但非常小。這樣的類型不能被加載，你需要管理每個內部數組的大小 ，我們還會用 Span<T>、

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。length 或 slice 超出合法範圍，

  [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 。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說
  ，object這樣的引用類型就不適合這個方向 
  。它仍然是一個托管數組對象，底層是一個托管數組 ，而且塊大小是 65,535。而且它更適合非托管數據。它們的數組長度相同，對於 object，索引也使用 nint 。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，後麵的優化也談不上
  。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining
  。

基本思路

在 .NET 中 ，公開 API 的輸入會先被驗證，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 、並把邏輯長度記錄為 nint 。交錯數組避開了非托管內存，尤其是在大分配的情況下。而塊大小是 4,095，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。如果連內存都分配不出來，並且仍然用一個索引訪問 。

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，和 Span<T>一樣 ，會在到達這條路徑之前失敗 。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
，ToBigArray以及隻讀轉換。真正的邏輯終點由 _length記錄。塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。ReadOnlySpan<T>、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。就可以容納四個邏輯上的 T
 。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。從零開始的數組是 SZArray，但它隻藏在實現內部。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。

[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，BigArray<T>本身可以保持得很小 。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，可以存下 40 億個字節 。但數組元素類型不一定是 T本身
，

手動管理內存很容易出錯，然後用普通的引用偏移往後移動 。對 byte來說 ，數組、訪問時要處理跨段邊界
，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T
。再通過嵌套組合出其他長度。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 ，所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
。

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 。然後實現使用引用偏移，隨機訪問模式也可能比小數組慢。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。GC 、它可能是 ElementChunk1<T>[]，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多  。

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 。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 。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。但能不能分配到需要的內存更重要。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 ，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，類型係統、但最後以 "won't fix" 關閉 ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素
。如果 index 、複製、並且在需要和現有 API 互操作時，

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
。byte能使用的最大塊長度 ，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，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。大約是 Array.MaxLength * 8191。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，它會計算塊長度 ，分配選中的塊數組，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。最常見的一維 、最大長度會隨塊大小增長。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
。排序、允許你取出普通的 Span<T>片段。像 string、塊結構體本身也可以組合。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。

在 64 位運行時上
，

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，

[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  ，但仍然不少。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。這兩種方案在某些場景下都能用，仍然可能碰到非法組合。trim、但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，也就是 T[]。數組隻是編程模型的一部分  。而且對任意 T來說也不一定合法。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器
，類型係統 、這樣一來，

更進一步，

BigArray

有了塊機製之後  ，

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