托管數在 組建超大 上構

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。尤其是托管在大分配的情況下。代碼會選擇 8191分支並創建 ElementChunk8191<object>[]；65535分支仍然存在給用於 byte這樣的上数组類型使用，

但這個限製針對的构建是數組的元素個數 ，ReadOnlySpan<T>、托管BigArray<T>另外記錄真實的上数组邏輯長度，就把數據拆成能放進 int的构建片段來處理。

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 。而不用把每個字段都手寫出來。上数组

寫在最後

有了 BigArray<T> 、构建公開 API 的托管輸入會先被驗證，它會讓 GC 壓力更大，上数组

這就是构建 BigArray<T>的核心思路。我們就可以用接近普通數組的托管方式處理超大的連續托管內存 。隻是查看由別的對象保持存活的內存
，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。大約是 Array.MaxLength * 8191。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。拿到第一個數據引用之後 ，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，後麵的優化也談不上
。ToBigArray以及隻讀轉換。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素
  ，如果 index 、可以存下 40 億個字節。性能很重要，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，
  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 。

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，結果就是拋出 TypeLoadException，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。而且塊大小是 65,535 。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。但代價也很明顯 。trim、其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。它不擁有內存，

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，split 、因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，

  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。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。這樣一來，這樣的類型不能被加載，

  更進一步，如果連內存都分配不出來，底層仍然是一個托管數組 ，但有些場景確實需要大塊連續數據，和 Span<T>一樣，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。而元素又內聯保存在這些塊裏 ，

  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 ，一個引用是 8 字節，長度是 nint，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。允許你取出普通的 Span<T>片段。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段
   ，從零開始的數組是 SZArray，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。比如邏輯長度是 10,000  ，然後用普通的引用偏移往後移動
  。

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。隻是每個元素更大 。最後隻調用這個分配器 。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。每個分支都返回一個靜態 lambda ，

  在 .NET 裏，但能不能分配到需要的內存更重要。搜索、

  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
  ，不需要清零的性能敏感場景，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，length 或 slice 超出合法範圍  ，

  這比手寫幾萬個字段 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，它們記錄底層托管數組、排序
   、如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
  。它給你一個大索引視圖
  ，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組  。但非常小。數組隻是編程模型的一部分。

  [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 ，但數組元素類型不一定是 T本身，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。byte[1024]存 1024 字節，數組數據區裏連續排列著塊結構體
  ，對某個 T來說，集合、也就是 65,535，我們還會用 Span<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 、

• 由 GC 管理，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度
   ，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，最大長度會隨塊大小增長 。會在到達這條路徑之前失敗 。對於 object
  ，但它隻藏在實現內部 。最常見的一維、

  手動管理內存很容易出錯 ，再通過嵌套組合出其他長度。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 ，

  從 .NET 8 開始，不同的是
  ，塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。BigArray<T>本身可以保持得很小 。

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。然後實現使用引用偏移
  ，object這樣的引用類型就不適合這個方向 。ToArray、

  麻煩的地方在於 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，對 byte來說，JIT、分配選中的塊數組 ，對用戶來說 ，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。以及是否固定
  。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，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 ，

  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
  。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，它的長度受 int大小限製。並且仍然用一個索引訪問。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，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，

  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。

  BigArray

  有了塊機製之後
  ，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。普通 .NET 代碼裏，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間  ？答案是會 ，它可以被放進字段或從方法返回，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，類型係統
  、跨過一個塊到下一個塊，確定這個值之後，JIT 、那麽實現會分配 3 個物理塊。

基本思路

在 .NET 中，而且對任意 T來說也不一定合法。

在 64 位運行時上，也就是 T[]
。這兩種方案在某些場景下都能用  ，但它不會在 object路徑上被加載。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖
。但最後以 "won't fix" 關閉，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，

有了這些塊類型之後  ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。就可以容納四個邏輯上的 T。也就是 6 個邏輯 T 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，像 string、因為這件事會牽涉到運行時
、並且在需要和現有 API 互操作時，

源代碼已開源在 GitHub ，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，準確地說是 127.998 TiB。是否允許未初始化、對於 byte ，機器仍然需要真的有足夠的內存 。隨機訪問模式也可能比小數組慢 。最後一個塊隻用到一部分，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。我們有了 InlineArrayAttribute 。

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

[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);}

65535 / 8 = 8191

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

private static ref T GetDataReference(Array storage){     return ref Unsafe.As<byte, T>(ref MemoryMarshal.GetArrayDataReference(storage));}

public ref T this[nint index]{     get    {         if ((nuint)index >= (nuint)_length)        {             ThrowHelpers.ThrowOutOfRange(nameof(index));        }        return ref Unsafe.Add(ref GetDataReference(), index);    }}

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

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

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);

[InlineArray(2)]struct ElementChunk2<T>{     private T _first;}[InlineArray(3)]struct ElementChunk3<T>{     private T _first;}