托管數在 組建超大 上構

.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。最後隻調用這個分配器 。构建它不擁有內存，托管

這也是上数组為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。訪問時要處理跨段邊界 ，构建但最後以 "won't fix" 關閉，托管BigArray<T>本身可以保持得很小 。上数组分配選中的构建塊數組，這時最後一個塊隻使用 1 個字節
，托管

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(),    };}

基本思路

在 .NET 中，會在到達這條路徑之前失敗 。

這就是 BigArray<T>的核心思路。然後實現使用引用偏移，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。但本質上仍然是一組數組。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191
。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，ToArray、

[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，

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。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。最大長度會隨塊大小增長 。

通常不太建議隨意使用巨大的數組 。你需要管理每個內部數組的大小
，然後用普通的引用偏移往後移動
 。複製 、一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，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
 ，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。但非常小。它會讓 GC 壓力更大，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，就可以容納四個邏輯上的 T。但數組元素類型不一定是 T本身 ，並且在需要和現有 API 互操作時，那麽實現會分配 3 個物理塊。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，可以寫成
：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此
，而不用把每個字段都手寫出來。

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
。後麵的優化也談不上。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。

這比手寫幾萬個字段 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。64 位係統上可以支持更大的範圍。int[1024]存 4096 字節 。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。以及是否固定。仍然可能碰到非法組合
  。數組數據區裏連續排列著塊結構體，
• 支持 NativeAOT，而元素又內聯保存在這些塊裏，所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。但仍然不少。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。結果就是拋出 TypeLoadException，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch 。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。大約是 Array.MaxLength * 8191。確定這個值之後，

  構建塊類型

  最直觀的實現，普通 .NET 代碼裏，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。對某個 T來說，

  作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。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 、因為這件事會牽涉到運行時、類型係統、

• 支持 string和 object之類的引用類型。集合
  、BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，是否允許未初始化 、公開 API 的輸入會先被驗證 ，排序 、如果連內存都分配不出來 ，隻是每個元素變成了一小塊。
• 連續托管內存分配。
• 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製，length 或 slice 超出合法範圍 ，每個分支都返回一個靜態 lambda
  ，公共 API 仍然是安全的；對實現來說，而且它更適合非托管數據
  。

  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 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

  寫在最後

  有了 BigArray<T>、它們的數組長度相同，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。但它隻藏在實現內部。像 string、真正的邏輯終點由 _length記錄。object這樣的引用類型就不適合這個方向。

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。這兩種方案在某些場景下都能用 ，它可能是 ElementChunk1<T>[]，它會計算塊長度
  ，也可能是一個塊類型 。再通過嵌套組合出其他長度。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。但能不能分配到需要的內存更重要。想要直接放寬這個限製 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

  從 .NET 8 開始 ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，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、

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。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。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時  ，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，byte[1024]存 1024 字節，而不是元素背後的字節數。

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素  。數組、

  BigArray

  有了塊機製之後，而且對任意 T來說也不一定合法 。並且仍然用一個索引訪問 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型
  ，從零開始的數組是 SZArray，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。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，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，

  手動管理內存很容易出錯 ，

  [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  。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，它的長度受 int大小限製 。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，性能很重要 ，並把邏輯長度記錄為 nint。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。

  [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 ，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。因為它包含 65,535 個 object 引用，JIT 、塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。對於 object，隨機訪問模式也可能比小數組慢 。

  有了這些塊類型之後，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
  ，nint本身無法表示更大的索引空間
  ，

  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、機器仍然需要真的有足夠的內存。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。拿到第一個數據引用之後，

  在 .NET 裏
  ，跨過一個塊到下一個塊，而且塊大小是 65,535
  。ToBigArray以及隻讀轉換。允許你取出普通的 Span<T>片段 。隻是查看由別的對象保持存活的內存，搜索 、trim、這樣的類型不能被加載，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。它可以被放進字段或從方法返回，反射和基礎類庫等很多地方
  。

  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 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，

  但這個限製針對的是數組的元素個數，

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，更大的長度下 ，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]
   。最後一個塊隻用到一部分，可以存下 40 億個字節。就把數據拆成能放進 int的片段來處理
  。它們記錄底層托管數組 、它給你一個大索引視圖，但它不會在 object路徑上被加載。對 byte來說，底層是一個托管數組 ，索引也使用 nint 。準確地說是 127.998 TiB。ReadOnlySpan<T>、也就是 65,535，但代價也很明顯
  。

  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 ，一個引用是 8 字節，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。交錯數組避開了非托管內存 ，

  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 ，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
  。比如邏輯長度是 10,000，長度是 nint，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。

  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。

  源代碼已開源在 GitHub，

  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。底層仍然是一個托管數組，而塊大小是 4,095 ，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵
  ，最常見的一維、JIT
  、

  麻煩的地方在於，它仍然是一個托管數組對象，

  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，

  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。用戶不需要手動釋放內存。