托管數在 組建超大 上構

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

因為 ：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。會在到達這條路徑之前失敗。但代價也很明顯 。它們記錄底層托管數組、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 ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。

源代碼已開源在 GitHub，如果 index、它們的數組長度相同 ，它給你一個大索引視圖，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 
，因為它包含 65,535 個 object 引用，真正的邏輯終點由 _length記錄
。隻是查看由別的對象保持存活的內存，並且仍然用一個索引訪問
。類型係統 、但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，可以存下 40 億個字節。那麽實現會分配 3 個物理塊 。每個分支都返回一個靜態 lambda，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
。反射以及大量現有代碼。這樣一來 ，

這就是 BigArray<T>的核心思路
。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。對 byte來說
，數組隻是編程模型的一部分。數組
、隨機訪問模式也可能比小數組慢。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。

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 。搜索、ToBigArray以及隻讀轉換。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會 ，

常見的解決辦法大概有兩類
：一類是分配非托管內存，從零開始的數組是 SZArray，

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 。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，但仍然不少
。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。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，

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 。object這樣的引用類型就不適合這個方向 。不需要清零的性能敏感場景，也就是 6 個邏輯 T。性能很重要，類型係統、因為這件事會牽涉到運行時 、

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>、

[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。更大的長度下，我們有了 InlineArrayAttribute 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊
，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，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、

[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 ，這裏當然說的是理論上限 ，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。length 或 slice 超出合法範圍，再通過嵌套組合出其他長度。則可以盡量接近直接數組訪問的成本
。但數組元素類型不一定是 T本身
，訪問時要處理跨段邊界，而不是元素背後的字節數。交錯數組避開了非托管內存
，但能不能分配到需要的內存更重要。最後一個塊隻用到一部分 ，int[1024]存 4096 字節 。

手動管理內存很容易出錯 ，

分配器來自一個針對塊長度的 switch 。而塊大小是 4,095，

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 。

從 .NET 8 開始，

[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，而且塊大小是 65,535 。

更進一步，

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，隻是每個元素更大 。

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 。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，而且它更適合非托管數據 。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
。以及是否固定 。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。

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、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，也就是 T[]。

在 64 位運行時上，一個引用是 8 字節，就把數據拆成能放進 int的片段來處理
。這樣的類型不能被加載，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。

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。它會計算塊長度
，split、代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。跨過一個塊到下一個塊
，這兩種方案在某些場景下都能用
，

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 。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。就可以容納四個邏輯上的 T 。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
，對用戶來說
 ，它會讓 GC 壓力更大 ，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 ，而元素又內聯保存在這些塊裏，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。

在 .NET 裏，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。像 string、或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。byte能使用的最大塊長度，

但這個限製針對的是數組的元素個數，最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>  。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多
。對某個 T來說，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，剩下的部分都空著。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，trim、ToArray、Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。機器仍然需要真的有足夠的內存。大約是 Array.MaxLength * 8191 。它不擁有內存
，64 位係統上可以支持更大的範圍。尤其是在大分配的情況下。允許你取出普通的 Span<T>片段。塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。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
，就會碰到 GC、底層仍然是一個托管數組
，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，JIT、Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。你需要管理每個內部數組的大小  ，但本質上仍然是一組數組。塊結構體本身也可以組合。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、然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。也可能是一個塊類型 。後麵的優化也談不上。JIT、結果就是拋出 TypeLoadException，

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 ，它可能是 ElementChunk1<T>[]，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 。BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，普通 .NET 代碼裏，