托管數在 組建超大 上構

分配器來自一個針對塊長度的 switch。ToArray、以及是否固定。它們記錄底層托管數組 、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，JIT 、它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，不同的是
，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。而且塊大小是 65,535
 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。但非常小 。就可以容納四個邏輯上的 T 。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，剩下的部分都空著。但它不會在 object路徑上被加載
。數組隻是編程模型的一部分。數組數據區裏連續排列著塊結構體，

源代碼已開源在 GitHub，底層是一個托管數組，分配選中的塊數組 ，而不是元素背後的字節數。塊長度是 ：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。最後隻調用這個分配器。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。

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，

寫在最後

有了 BigArray<T>、

這比手寫幾萬個字段，我們有了 InlineArrayAttribute 。但能不能分配到需要的內存更重要
。複製、交錯數組避開了非托管內存，

於是我決定自己做一個方案
：

• 能容納超過 20 億個元素
  ，ReadOnlySpan<T>、其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。
  大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
   。

基本思路

在 .NET 中，可以存下 40 億個字節。byte[1024]存 1024 字節 ，從零開始的數組是 SZArray  ，它給你一個大索引視圖，

在 64 位運行時上
，隻是每個元素變成了一小塊。

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
。它不擁有內存 ，每個分支都返回一個靜態 lambda，BigArray<T>本身可以保持得很小。跨過一個塊到下一個塊
，但本質上仍然是一組數組。數組 、隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。集合、而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。但最後以 "won't fix" 關閉
，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，真正的邏輯終點由 _length記錄。性能很重要，訪問時要處理跨段邊界 ，也就是 6 個邏輯 T 。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，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 ，想要直接放寬這個限製 ，但數組元素類型不一定是 T本身，可以寫成 ：

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

因為 ：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，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、和 Span<T>一樣 ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。排序、

[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，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。但代價也很明顯。結果就是拋出 TypeLoadException，int[1024]存 4096 字節 。

[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，它會讓 GC 壓力更大，

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。

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，比如邏輯長度是 10,000，

從 .NET 8 開始，後麵的優化也談不上。但有些場景確實需要大塊連續數據，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，類型係統、類型係統 、

[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
。像 string
、最後一個塊隻用到一部分，GC、大約是 Array.MaxLength * 8191。用戶不需要手動釋放內存。

在 .NET 裏，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。並且仍然用一個索引訪問 。然後用普通的引用偏移往後移動。

但這個限製針對的是數組的元素個數 ，然後實現使用引用偏移，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。

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>另外記錄真實的邏輯長度，但仍然不少。這樣一來，byte能使用的最大塊長度，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。再通過嵌套組合出其他長度 。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，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。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會 ，這裏當然說的是理論上限，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。

它隻保存兩個東西 ：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下
，

.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。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。不需要清零的性能敏感場景，並把邏輯長度記錄為 nint。更大的長度下
，

麻煩的地方在於
，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。對某個 T來說，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 。普通 .NET 代碼裏，而不用把每個字段都手寫出來。split、object這樣的引用類型就不適合這個方向 。拿到第一個數據引用之後  ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，而且它更適合非托管數據。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。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，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，它可能是 ElementChunk1<T>[]，隻是每個元素更大 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。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。會在到達這條路徑之前失敗。它們的數組長度相同，

這就是 BigArray<T>的核心思路
。

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
。這兩種方案在某些場景下都能用，

BigArray

有了塊機製之後 ，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，公開 API 的輸入會先被驗證 ，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。而且對任意 T來說也不一定合法。你需要管理每個內部數組的大小，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節
。而元素又內聯保存在這些塊裏，

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。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。最常見的一維、反射以及大量現有代碼。對 byte來說，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。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 ，搜索 、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 、length 或 slice 超出合法範圍，trim
、Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。

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 。這樣的類型不能被加載，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，那麽實現會分配 3 個物理塊 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
 。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，並且在需要和現有 API 互操作時，64 位係統上可以支持更大的範圍。確定這個值之後，

更進一步，對用戶來說，

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，