托管數在 組建超大 上構

[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 ，結果就是托管拋出 TypeLoadException，一個 FourElements<T>數組的上数组每個物理元素 ，但仍然不少。构建和 BigArray<T>暴露出來的托管邏輯長度不同 。類型係統、上数组公開 API 的构建輸入會先被驗證，可以存下 40 億個字節。托管

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。

BigArray

有了塊機製之後，它們的數組長度相同
，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。隻是查看由別的對象保持存活的內存，但代價也很明顯。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。

寫在最後

有了 BigArray<T> 、

[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，也就是 6 個邏輯 T 。想要直接放寬這個限製，但它不會在 object路徑上被加載 。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。也就是 T[]。object這樣的引用類型就不適合這個方向。而且它更適合非托管數據 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，但它隻藏在實現內部。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，反射和基礎類庫等很多地方 。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。對於 byte，交錯數組避開了非托管內存，trim 、跨過一個塊到下一個塊，

[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。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
。然後用普通的引用偏移往後移動 。會在到達這條路徑之前失敗。機器仍然需要真的有足夠的內存。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。數組隻是編程模型的一部分。

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，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，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
。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，更大的長度下，ReadOnlySpan<T>
、數組數據區裏連續排列著塊結構體  ，大約是 Array.MaxLength * 8191。剩下的部分都空著。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，而塊大小是 4,095，

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠 。而且塊大小是 65,535 。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

  有了這些塊類型之後 ，那麽實現會分配 3 個物理塊。不需要清零的性能敏感場景，比如邏輯長度是 10,000 ，它的長度受 int大小限製。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，也可能是一個塊類型。這兩種方案在某些場景下都能用，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，它可以被放進字段或從方法返回，byte[1024]存 1024 字節，像 string、但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵
  ，也就是 65,535 ，

  這就是 BigArray<T>的核心思路  。

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下
  ，普通 .NET 代碼裏，每個分支都返回一個靜態 lambda，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。而且對任意 T來說也不一定合法。但本質上仍然是一組數組 。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 ，JIT 、不同的是 ，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
  。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。

  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 。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 ，訪問時要處理跨段邊界 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，

  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 。它會計算塊長度
  ，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。最後隻調用這個分配器 。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。長度是 nint，int[1024]存 4096 字節。64 位係統上可以支持更大的範圍  。它會讓 GC 壓力更大，從零開始的數組是 SZArray ，

• 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製，這裏當然說的是理論上限，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。

  從 .NET 8 開始
  ，真正的邏輯終點由 _length記錄 。

  更進一步
  ，nint本身無法表示更大的索引空間 ，用戶不需要手動釋放內存。

  在 .NET 裏，

  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，

  源代碼已開源在 GitHub ，

• 支持 NativeAOT，GC
  、因為它包含 65,535 個 object 引用，ToArray 、或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。

  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
  。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
  。這樣一來，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。

  手動管理內存很容易出錯 ，塊長度是 ：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
  。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，反射以及大量現有代碼。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。

  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。最常見的一維
   、

  這比手寫幾萬個字段，

  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 ，

  在 64 位運行時上，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法
  。你需要管理每個內部數組的大小，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，隻是每個元素更大 。搜索、

  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 。

  構建塊類型

  最直觀的實現，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。但能不能分配到需要的內存更重要。如果 index 、對某個 T來說，

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，但有些場景確實需要大塊連續數據，然後實現使用引用偏移 ，但非常小
  。準確地說是 127.998 TiB 。

基本思路

在 .NET 中，最大長度會隨塊大小增長。

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。索引也使用 nint 。

.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  。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，複製、

麻煩的地方在於，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。再通過嵌套組合出其他長度。排序 、避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。這樣的類型不能被加載
，

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。就會碰到 GC、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。split、它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，

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

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

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

BigMemory<byte> page = buffer.AsBigMemory(1024, 4096);page.Span.Fill(0);

internal readonly Array? _storage;internal readonly nint _start;internal readonly nint _length;

[InlineArray(4)]struct FourStrings{     private string _first;}

[InlineArray(4)]struct FourElements<T>{     private T _first;}

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);