托管數在 組建超大 上構

BigSpan<T>是托管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。而且分配用的上数组輔助方法標記為 NoInlining 。分配選中的构建塊數組，但數組元素類型不一定是托管 T本身 ，它們記錄底層托管數組、也就是 6 個邏輯 T。

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  、用戶不需要手動釋放內存。普通 .NET 代碼裏 ，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，就會碰到 GC、再通過嵌套組合出其他長度。

但這個限製針對的是數組的元素個數，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素
。

手動管理內存很容易出錯 ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。你需要管理每個內部數組的大小，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，反射和基礎類庫等很多地方。

在 64 位運行時上 ，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
。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。也就是 T[]
。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，像 string
、它會計算塊長度，塊長度是 ：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]
。更大的長度下，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，機器仍然需要真的有足夠的內存。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了 。並且在需要和現有 API 互操作時 ，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，對於 byte ，

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。

分配器來自一個針對塊長度的 switch
。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，搜索、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 ，ToArray 、ReadOnlySpan<T>、

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 。

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。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。

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 。它不擁有內存，

[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 ，就可以容納四個邏輯上的 T 。但非常小。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，JIT、後麵的優化也談不上。而且塊大小是 65,535。公開 API 的輸入會先被驗證 ，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，

這就是 BigArray<T>的核心思路。

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，這樣的類型不能被加載，剩下的部分都空著 。跨過一個塊到下一個塊  ，底層仍然是一個托管數組 ，byte[1024]存 1024 字節，結果就是拋出 TypeLoadException ，真正的邏輯終點由 _length記錄
。而且對任意 T來說也不一定合法。交錯數組避開了非托管內存，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，但最後以 "won't fix" 關閉
，

從 .NET 8 開始，就把數據拆成能放進 int的片段來處理
 。我們還會用 Span<T>
、ToBigArray以及隻讀轉換
。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，

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，但本質上仍然是一組數組。塊結構體本身也可以組合 。

它隻保存兩個東西
：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，隻是查看由別的對象保持存活的內存，但有些場景確實需要大塊連續數據，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，這兩種方案在某些場景下都能用
，

寫在最後

有了 BigArray<T> 、

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、所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。最大長度會隨塊大小增長。

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，隨機訪問模式也可能比小數組慢 。

[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);}

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

[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; }

65535 / 8 = 8191

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

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

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],};

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;}