托管數在 組建超大 上構

構建塊類型

最直觀的上数组實現 ，這裏當然說的构建是理論上限 ，機器仍然需要真的托管有足夠的內存。反射和基礎類庫等很多地方。

這就是 BigArray<T>的核心思路。你需要管理每個內部數組的大小 ，塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。

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 。nint本身無法表示更大的索引空間，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，ReadOnlySpan<T>、隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。但最後以 "won't fix" 關閉 ，

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

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);

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

[InlineArray(4)]struct FourStrings{     private string _first;}

[InlineArray(4)]struct FourElements<T>{     private T _first;}

public readonly ref struct BigSpan<T>{     internal readonly ref T _first;    internal readonly nint _length;}

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];}

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

基本思路

在 .NET 中 ，它可能是 ElementChunk1<T>[]，

在 64 位運行時上 ，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，我們還會用 Span<T>、每個分支都返回一個靜態 lambda
，

這比手寫幾萬個字段
，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，是否允許未初始化
  、比如邏輯長度是 10,000，對於 object，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 。object這樣的引用類型就不適合這個方向。但數組元素類型不一定是 T本身
  ，像 string 、普通 .NET 代碼裏，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，byte[1024]存 1024 字節，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，所以合法的塊長度是 8,191 ：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

  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，

  BigArray

  有了塊機製之後
  ，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，ToArray、這樣的類型不能被加載，

• 由 GC 管理，對 byte來說，

  它隻保存兩個東西 ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，它仍然是一個托管數組對象，用戶不需要手動釋放內存 。大約是 Array.MaxLength * 8191。

  有了這些塊類型之後，最後一個塊隻用到一部分，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 。因為這件事會牽涉到運行時、大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。這樣一來，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，和 Span<T>一樣，

  手動管理內存很容易出錯，但它不會在 object路徑上被加載。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
  ，它會讓 GC 壓力更大，trim、分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。而且對任意 T來說也不一定合法。length 或 slice 超出合法範圍 ，

  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，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。

  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 ，仍然可能碰到非法組合
  。對於 byte ，

  寫在最後

  有了 BigArray<T>、如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，也就是 T[]。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，GC、則可以盡量接近直接數組訪問的成本 
  。並且仍然用一個索引訪問。它會計算塊長度 ，它給你一個大索引視圖 ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。split、而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。

  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，一個引用是 8 字節，訪問時要處理跨段邊界，byte能使用的最大塊長度，那麽實現會分配 3 個物理塊。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。隨機訪問模式也可能比小數組慢。

  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。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法  。

• 支持 string和 object之類的引用類型 。但它隻藏在實現內部。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。

  [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 。它可以被放進字段或從方法返回 ，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。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，隻是每個元素更大。因為它包含 65,535 個 object 引用，確定這個值之後，真正的邏輯終點由 _length記錄。允許你取出普通的 Span<T>片段 。但有些場景確實需要大塊連續數據 ，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。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，JIT 、

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會 ，底層是一個托管數組 ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
  ，它的長度受 int大小限製
  。如果連內存都分配不出來 ，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。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 ，對某個 T來說，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。

  源代碼已開源在 GitHub ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，並且在需要和現有 API 互操作時，我們有了 InlineArrayAttribute。搜索、會在到達這條路徑之前失敗 。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，也就是 6 個邏輯 T 。然後用普通的引用偏移往後移動。也就是 65,535
  ，但本質上仍然是一組數組。也可能是一個塊類型
  。數組隻是編程模型的一部分。

  更進一步，

  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。這兩種方案在某些場景下都能用，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、或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。分配選中的塊數組 ，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

• 連續托管內存分配 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。公開 API 的輸入會先被驗證，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，但非常小。數組數據區裏連續排列著塊結構體
  ，最常見的一維
  、而且塊大小是 65,535 。如果 index、

  在 .NET 裏，長度是 nint ，再通過嵌套組合出其他長度。而塊大小是 4,095，

  麻煩的地方在於，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，跨過一個塊到下一個塊 ，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，

  但這個限製針對的是數組的元素個數，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
  。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。BigArray<T>本身可以保持得很小。

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。但能不能分配到需要的內存更重要。但代價也很明顯 。不需要清零的性能敏感場景，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 ，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。剩下的部分都空著。準確地說是 127.998 TiB。後麵的優化也談不上。就可以容納四個邏輯上的 T。

  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 。最後隻調用這個分配器。反射以及大量現有代碼 。索引也使用 nint。

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠 。

  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、最大長度會隨塊大小增長。