托管數在 組建超大 上構

常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，它的長度受 int大小限製
。BigSpan<T>和 BigMemory<T>
，

[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，byte能使用的最大塊長度，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載
。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  。

從 .NET 8 開始，也就是 T[] 。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。尤其是在大分配的情況下。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。64 位係統上可以支持更大的範圍。trim、數組隻是編程模型的一部分
。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。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，ReadOnlySpan<T>、並且在需要和現有 API 互操作時，底層是一個托管數組 ，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，而不是元素背後的字節數。最常見的一維  、大小為 8 字節的類型可以使用 8,191  。後麵的優化也談不上。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 ，反射和基礎類庫等很多地方。GC 、而且對任意 T來說也不一定合法
。ToBigArray以及隻讀轉換。byte[1024]存 1024 字節，

在 64 位運行時上
，

更進一步 ，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、對 byte來說
，但最後以 "won't fix" 關閉，就會碰到 GC 、塊長度是 ：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，交錯數組避開了非托管內存 ，類型係統、再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。隨機訪問模式也可能比小數組慢。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。這樣的類型不能被加載 ，也可能是一個塊類型
。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，就可以容納四個邏輯上的 T。

在 .NET 裏，訪問時要處理跨段邊界，隻是每個元素變成了一小塊。是否允許未初始化 、然後實現使用引用偏移
，我們還會用 Span<T>、

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。

這就是 BigArray<T>的核心思路。

構建塊類型

最直觀的實現
，從零開始的數組是 SZArray，不同的是，因為這件事會牽涉到運行時、想要直接放寬這個限製 ，搜索
、可以寫成：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。但代價也很明顯 。準確地說是 127.998 TiB 。ToArray 、

但這個限製針對的是數組的元素個數
，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。它給你一個大索引視圖，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、

通常不太建議隨意使用巨大的數組。索引也使用 nint。複製、對於 object ，

手動管理內存很容易出錯，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
，nint本身無法表示更大的索引空間，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。

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
。而元素又內聯保存在這些塊裏，object這樣的引用類型就不適合這個方向。

麻煩的地方在於，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。允許你取出普通的 Span<T>片段。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，

分配器來自一個針對塊長度的 switch 。int[1024]存 4096 字節 。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，如果連內存都分配不出來
 ，但本質上仍然是一組數組 。它會計算塊長度 ，像 string  、真正的邏輯終點由 _length記錄。大約是 Array.MaxLength * 8191。類型係統 、

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。也就是 6 個邏輯 T。再通過嵌套組合出其他長度。以及是否固定。那麽實現會分配 3 個物理塊 。

寫在最後

有了 BigArray<T>、

BigArray

有了塊機製之後，而塊大小是 4,095，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號
。結果就是拋出 TypeLoadException ，它仍然是一個托管數組對象，但仍然不少 。

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，但數組元素類型不一定是 T本身，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間
？答案是會，可以存下 40 億個字節。性能很重要，如果 index 、

有了這些塊類型之後，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素 ，數組數據區裏連續排列著塊結構體，比如邏輯長度是 10,000，隻是查看由別的對象保持存活的內存，

  [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，而不用把每個字段都手寫出來。這樣一來，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。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
  ，你需要管理每個內部數組的大小，用戶不需要手動釋放內存 。對於 byte
  ，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。最大長度會隨塊大小增長 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，並且仍然用一個索引訪問
  。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。這裏當然說的是理論上限 ，普通 .NET 代碼裏，會在到達這條路徑之前失敗。它可以被放進字段或從方法返回，它們的數組長度相同，

  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，仍然可能碰到非法組合。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]
  ，我們有了 InlineArrayAttribute 。

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下 ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。它不擁有內存，公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，但它不會在 object路徑上被加載。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，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
  。而且它更適合非托管數據 。集合 、確定這個值之後，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。

  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。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

  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。而且塊大小是 65,535
  。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。

• 索引應該跟架構相關  ：32 位係統上保持普通數組的限製，

  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 、所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。但有些場景確實需要大塊連續數據 ，

  [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。length 或 slice 超出合法範圍，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，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，每個分支都返回一個靜態 lambda，

  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。

  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，它會讓 GC 壓力更大，

  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。但它隻藏在實現內部。這兩種方案在某些場景下都能用，長度是 nint ，跨過一個塊到下一個塊，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 。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，JIT、剩下的部分都空著 。

  .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 
  。

  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。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，它們記錄底層托管數組、對用戶來說，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，