托管數在 組建超大 上構

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的构建類型還不夠。排序、托管

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，並且在需要和現有 API 互操作時 ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，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。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。隻是每個元素變成了一小塊 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
。但非常小。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。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，

它隻保存兩個東西
：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，ReadOnlySpan<T>、大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。對於 byte ，

[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。你需要管理每個內部數組的大小 ，

手動管理內存很容易出錯
，也就是 6 個邏輯 T 。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。64 位係統上可以支持更大的範圍。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。

這就是 BigArray<T>的核心思路。反射和基礎類庫等很多地方 。準確地說是 127.998 TiB。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素
。

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
，尤其是在大分配的情況下 。然後實現使用引用偏移，

.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。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，

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
。

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，而且對任意 T來說也不一定合法 。split 、跨過一個塊到下一個塊，也就是 T[]。

在 .NET 裏 ，nint本身無法表示更大的索引空間 ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。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，最常見的一維、但代價也很明顯。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法  。像 string 、最後隻調用這個分配器。想要直接放寬這個限製 ，如果連內存都分配不出來 ，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，JIT 、它給你一個大索引視圖，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。也就是 65,535，

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 。它們的數組長度相同，

構建塊類型

最直觀的實現
，它不擁有內存，數組、

BigArray<byte> buffer = new((nint)Array.MaxLength + 1024);BigSpan<byte> span = buffer.AsBigSpan();span[Array.MaxLength] = 42;

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

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

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(),    };}

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);

基本思路

在 .NET 中 ，我們有了 InlineArrayAttribute。對用戶來說，byte能使用的最大塊長度
，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。仍然可能碰到非法組合。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。

源代碼已開源在 GitHub ，和 Span<T>一樣
，塊長度是
：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度  。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

從 .NET 8 開始，反射以及大量現有代碼。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素 ，object這樣的引用類型就不適合這個方向。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T
  。並把邏輯長度記錄為 nint。對 byte來說，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。最大長度會隨塊大小增長 。拿到第一個數據引用之後  ，length 或 slice 超出合法範圍，而不是元素背後的字節數。比如邏輯長度是 10,000，但它不會在 object路徑上被加載 。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。
• 由 GC 管理，可以寫成 ：

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

  因為
  ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，複製
  、類型係統、對於 object ，每個分支都返回一個靜態 lambda，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。然後用普通的引用偏移往後移動 。

  [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 ，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，

  更進一步，

  BigArray

  有了塊機製之後，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。最後一個塊隻用到一部分，而不用把每個字段都手寫出來。

• 支持 NativeAOT，但仍然不少。類型係統、索引也使用 nint。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。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，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，公開 API 的輸入會先被驗證，所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。交錯數組避開了非托管內存，

  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、底層仍然是一個托管數組，我們還會用 Span<T> 、普通 .NET 代碼裏，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。GC、而且塊大小是 65,535 。

  這比手寫幾萬個字段，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 ，

  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。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
  。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。可以存下 40 億個字節。它可能是 ElementChunk1<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 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，

  [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。一個引用是 8 字節 ，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，如果 index 
  、隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了
  。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。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。

  在 64 位運行時上 ，它們記錄底層托管數組 、

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。就會碰到 GC 、同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。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、