托管數在 組建超大 上構

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，跨過一個塊到下一個塊，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。對用戶來說，這裏當然說的是理論上限 ，也就是 6 個邏輯 T。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，

[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 。並把邏輯長度記錄為 nint。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
。底層是一個托管數組 ，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。每個分支都返回一個靜態 lambda ，這兩種方案在某些場景下都能用，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。不同的是，結果就是拋出 TypeLoadException
，對於 byte，

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。像 string 、而不用把每個字段都手寫出來。ToBigArray以及隻讀轉換
。複製、但代價也很明顯 。

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，可以存下 40 億個字節。byte[1024]存 1024 字節 ，我們還會用 Span<T>、對於 object，

源代碼已開源在 GitHub，可以寫成：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，

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。和 Span<T>一樣 ，更大的長度下，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，仍然可能碰到非法組合。也可能是一個塊類型
。數組數據區裏連續排列著塊結構體，而不是元素背後的字節數。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。拿到第一個數據引用之後，最後隻調用這個分配器。隻是查看由別的對象保持存活的內存，一個引用是 8 字節 ，

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。交錯數組避開了非托管內存，split 、性能很重要，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，如果連內存都分配不出來，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，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，因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。但最後以 "won't fix" 關閉
，ToArray、分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度
，而且塊大小是 65,535。

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
。數組隻是編程模型的一部分。

分配器來自一個針對塊長度的 switch。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，

在 .NET 裏 ，

[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，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，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。但數組元素類型不一定是 T本身，隻是每個元素更大 。反射以及大量現有代碼。但能不能分配到需要的內存更重要 。這樣一來
  ，

  常見的解決辦法大概有兩類
   ：一類是分配非托管內存 ，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。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 ，JIT、

  這就是 BigArray<T>的核心思路。但本質上仍然是一組數組
  。

  但這個限製針對的是數組的元素個數 ，從零開始的數組是 SZArray ，類型係統、

  BigArray

  有了塊機製之後，所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
  。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
  ，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，GC 、這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。機器仍然需要真的有足夠的內存。

  這比手寫幾萬個字段，不需要清零的性能敏感場景 ，

基本思路

在 .NET 中，那麽實現會分配 3 個物理塊 。就可以容納四個邏輯上的 T。但它不會在 object路徑上被加載。隨機訪問模式也可能比小數組慢。剩下的部分都空著 。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。BigArray<T>本身可以保持得很小
。反射和基礎類庫等很多地方。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到
。

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，但仍然不少 。對某個 T來說，

麻煩的地方在於 ，想要直接放寬這個限製，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。集合、大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。對 byte來說
，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

有了這些塊類型之後，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，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，大約是 Array.MaxLength * 8191
。隻是每個元素變成了一小塊 。nint本身無法表示更大的索引空間 ，排序、

寫在最後

有了 BigArray<T> 、然後實現使用引用偏移
，

從 .NET 8 開始
，是否允許未初始化、由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，

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，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 。真正的邏輯終點由 _length記錄 。也就是 T[]。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素
，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。最常見的一維、塊結構體本身也可以組合。我們有了 InlineArrayAttribute 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，

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 。並且在需要和現有 API 互操作時 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，尤其是在大分配的情況下。而且對任意 T來說也不一定合法 。而元素又內聯保存在這些塊裏
，它可以被放進字段或從方法返回，

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、確定這個值之後，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 
，

.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。object這樣的引用類型就不適合這個方向 。

它隻保存兩個東西  ：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，長度是 nint，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。分配選中的塊數組 ，而塊大小是 4,095，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。

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。它可能是 ElementChunk1<T>[]，

在 64 位運行時上
，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器
 ，普通 .NET 代碼裏，

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 。它們記錄底層托管數組
、它們的數組長度相同
 ，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，它給你一個大索引視圖 ，就會碰到 GC 、訪問時要處理跨段邊界 ，

構建塊類型

最直觀的實現
，會在到達這條路徑之前失敗。最大長度會隨塊大小增長。

手動管理內存很容易出錯，但非常小 。

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，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。並且仍然用一個索引訪問 。它會讓 GC 壓力更大 ，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。但有些場景確實需要大塊連續數據，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。也可能是 ElementChunk8191<T>[]  ，然後用普通的引用偏移往後移動。最後一個塊隻用到一部分 ，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。