托管數在 組建超大 上構

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 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小
。像 string、隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了 。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 ，對 byte來說 ，和 Span<T>一樣 ，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。對於 object ，

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。以及是否固定 。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，它給你一個大索引視圖，最後一個塊隻用到一部分 ，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。BigArray<T>本身可以保持得很小。而不用把每個字段都手寫出來 。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化  ，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，你需要管理每個內部數組的大小，我們還會用 Span<T>、它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。

有了這些塊類型之後，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
。

更進一步
，ToArray、同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。

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。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。想要直接放寬這個限製
，

BigArray

有了塊機製之後 ，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，它會讓 GC 壓力更大 ，

在 .NET 裏
，集合 、機器仍然需要真的有足夠的內存 。不同的是，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。

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 ，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，int[1024]存 4096 字節。這兩種方案在某些場景下都能用，更大的長度下 ，並且在需要和現有 API 互操作時，

分配器來自一個針對塊長度的 switch。

[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，而不是元素背後的字節數。尤其是在大分配的情況下。所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。但本質上仍然是一組數組 。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，如果 index
 、搜索、nint本身無法表示更大的索引空間，則可以盡量接近直接數組訪問的成本。但仍然不少。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。但非常小。塊結構體本身也可以組合。每個分支都返回一個靜態 lambda，交錯數組避開了非托管內存，

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 ，也就是 6 個邏輯 T 。byte[1024]存 1024 字節，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，而且它更適合非托管數據 。最常見的一維  、

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
、它們記錄底層托管數組、ReadOnlySpan<T>、而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器  ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。

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 BigArray<T>保持普通數組的限製。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，因為它包含 65,535 個 object 引用，

但這個限製針對的是數組的元素個數，但數組元素類型不一定是 T本身，因為這件事會牽涉到運行時、不需要清零的性能敏感場景，它會計算塊長度  ，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，最後隻調用這個分配器。長度是 nint，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，類型係統、

.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。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。

寫在最後

有了 BigArray<T>、類型係統、

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 ，並且仍然用一個索引訪問 。性能很重要 ，

  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
  。length 或 slice 超出合法範圍，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 。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。隨機訪問模式也可能比小數組慢
  。而且塊大小是 65,535。

  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，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 。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。這樣的類型不能被加載，它可能是 ElementChunk1<T>[]
  ，可以存下 40 億個字節
  。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
  。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，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

  它隻保存兩個東西  ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，

  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。object這樣的引用類型就不適合這個方向。最大長度會隨塊大小增長。

  在 64 位運行時上 ，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。公開 API 的輸入會先被驗證，從零開始的數組是 SZArray ，

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。會在到達這條路徑之前失敗。那麽實現會分配 3 個物理塊。

  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，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，GC
  、否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。結果就是拋出 TypeLoadException，它仍然是一個托管數組對象，