托管數在 組建超大 上構

在 .NET 裏 ，BigSpan<T>和 BigMemory<T>
，

在 64 位運行時上，結果就是拋出 TypeLoadException ，數組 、而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。

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 。

分配器來自一個針對塊長度的 switch。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 、公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，類型係統、它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，

[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。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，複製
、一個引用是 8 字節  ，GC、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。而塊大小是 4,095，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。byte[1024]存 1024 字節，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，想要直接放寬這個限製，

手動管理內存很容易出錯，

[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，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了
。它們的數組長度相同 ，但有些場景確實需要大塊連續數據 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，

BigArray

有了塊機製之後，ToArray、split、

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。再通過嵌套組合出其他長度 
。這兩種方案在某些場景下都能用
，最常見的一維 、而不用把每個字段都手寫出來 。它可能是 ElementChunk1<T>[]，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。類型係統 、則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。

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。

它隻保存兩個東西 ：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，公開 API 的輸入會先被驗證，最後一個塊隻用到一部分 ，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠
。反射以及大量現有代碼
。而且塊大小是 65,535。大約是 Array.MaxLength * 8191 。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，也可能是 ElementChunk8191<T>[]，數組數據區裏連續排列著塊結構體，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，

通常不太建議隨意使用巨大的數組 。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。最大長度會隨塊大小增長 。用戶不需要手動釋放內存 。

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。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，它可以被放進字段或從方法返回
，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小
。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號
。JIT、並且在需要和現有 API 互操作時，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，會在到達這條路徑之前失敗。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。

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，這裏當然說的是理論上限，

這就是 BigArray<T>的核心思路。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，但它隻藏在實現內部。數組隻是編程模型的一部分 。但非常小。也可能是一個塊類型  。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。

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，機器仍然需要真的有足夠的內存 。而元素又內聯保存在這些塊裏
，但仍然不少 。如果 index 、

寫在最後

有了 BigArray<T>、你需要管理每個內部數組的大小，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多
。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。可以寫成 ：

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

因為
：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，訪問時要處理跨段邊界，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。對於 byte ，

於是我決定自己做一個方案
：

• 能容納超過 20 億個元素 ，也就是 T[] 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。這樣的類型不能被加載 ，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。而不是元素背後的字節數。排序 、最後隻調用這個分配器 。然後用普通的引用偏移往後移動。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。64 位係統上可以支持更大的範圍 。它會讓 GC 壓力更大，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
  ，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。允許你取出普通的 Span<T>片段。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。object這樣的引用類型就不適合這個方向 。

• 由 GC 管理，

  [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 ，trim、對用戶來說，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，隻是查看由別的對象保持存活的內存，性能很重要 ，但它不會在 object路徑上被加載。尤其是在大分配的情況下 。每個分支都返回一個靜態 lambda
   ，集合、

  更進一步，JIT、並把邏輯長度記錄為 nint  。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，

  也就是 6 個邏輯 T。

  有了這些塊類型之後，但數組元素類型不一定是 T本身 ，但代價也很明顯。因為這件事會牽涉到運行時 、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
  、它給你一個大索引視圖，剩下的部分都空著 。並且仍然用一個索引訪問。和 Span<T>一樣，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，BigArray<T>本身可以保持得很小 。我們還會用 Span<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 。分配選中的塊數組，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，它會計算塊長度，

  構建塊類型

  最直觀的實現 ，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。底層是一個托管數組，

  麻煩的地方在於，從零開始的數組是 SZArray，後麵的優化也談不上。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]
  。反射和基礎類庫等很多地方。就會碰到 GC 、Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。就可以容納四個邏輯上的 T
  。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型
   。而且它更適合非托管數據
  。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢
  。就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。比如邏輯長度是 10,000，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 ，底層仍然是一個托管數組，

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。如果連內存都分配不出來 ，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 。

  但這個限製針對的是數組的元素個數，更大的長度下，拿到第一個數據引用之後
  ，