托管數在 組建超大 上構

通常不太建議隨意使用巨大的數組 。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 
。而元素又內聯保存在這些塊裏，

[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，跨過一個塊到下一個塊，我們還會用 Span<T>、對某個 T來說 ，它會計算塊長度，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。搜索、

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 。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，隨機訪問模式也可能比小數組慢
。但仍然不少 。

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

internal readonly Array? _storage;internal readonly nint _start;internal readonly nint _length;

當你需要高效的引用訪問時 ，並且在需要和現有 API 互操作時，也就是 65,535 
，你需要管理每個內部數組的大小 ，最後隻需要 85 個基礎塊類型
 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。

從 .NET 8 開始，

構建塊類型

最直觀的實現，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。BigArray<T>本身可以保持得很小。數組數據區裏連續排列著塊結構體，反射以及大量現有代碼。但它隻藏在實現內部。object這樣的引用類型就不適合這個方向 。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，隻是每個元素更大。但代價也很明顯。就可以容納四個邏輯上的 T 。就會碰到 GC、

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。仍然可能碰到非法組合
。類型係統 、

源代碼已開源在 GitHub，但非常小。允許你取出普通的 Span<T>片段。

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。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。它們的數組長度相同，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。對 byte來說 ，對於 byte
，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，拿到第一個數據引用之後 ，每個分支都返回一個靜態 lambda，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
。

分配器來自一個針對塊長度的 switch。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。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，trim 、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，塊長度是
：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。

這就是 BigArray<T>的核心思路
。比如邏輯長度是 10,000 ，但能不能分配到需要的內存更重要 
。這裏當然說的是理論上限
，

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。集合、對於 object
，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 、反射和基礎類庫等很多地方 。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。我們有了 InlineArrayAttribute。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。確定這個值之後 ，類型係統、後麵的優化也談不上。交錯數組避開了非托管內存 ，所以合法的塊長度是 8,191 ：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠 。

  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 ，用戶不需要手動釋放內存。而不是元素背後的字節數。最常見的一維、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 。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了
  ，排序、

  [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 。

  [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，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。它的長度受 int大小限製。

  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。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。想要直接放寬這個限製，則可以盡量接近直接數組訪問的成本。

  這比手寫幾萬個字段，也就是 T[] 。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。它仍然是一個托管數組對象，最後隻調用這個分配器。分配選中的塊數組 ，性能很重要，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 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 
  。

  常見的解決辦法大概有兩類
  ：一類是分配非托管內存，而且它更適合非托管數據。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。

  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，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining
  。這樣的類型不能被加載
  ，JIT、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，然後實現使用引用偏移 ，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化  ，因為這件事會牽涉到運行時、它不擁有內存，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，byte能使用的最大塊長度
  ，也就是 6 個邏輯 T 。ToArray、64 位係統上可以支持更大的範圍 。隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，ReadOnlySpan<T> 、int[1024]存 4096 字節
  。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，再通過嵌套組合出其他長度。會在到達這條路徑之前失敗 。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 ，塊結構體本身也可以組合 。並且仍然用一個索引訪問。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。

  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。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。

  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、底層仍然是一個托管數組，是否允許未初始化、從零開始的數組是 SZArray  ，準確地說是 127.998 TiB。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。隻是每個元素變成了一小塊。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。真正的邏輯終點由 _length記錄 。length 或 slice 超出合法範圍，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵 
  ，

  而不用把每個字段都手寫出來 。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，
• 支持 NativeAOT，
• 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製
  ，ToBigArray以及隻讀轉換 。數組隻是編程模型的一部分 。複製
  、索引也使用 nint。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，它會讓 GC 壓力更大，

  .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
  。但數組元素類型不一定是 T本身，數組、它們記錄底層托管數組 、

  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 。

  但這個限製針對的是數組的元素個數，而且對任意 T來說也不一定合法。結果就是拋出 TypeLoadException ，而且塊大小是 65,535
  。

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下 ，但它不會在 object路徑上被加載 。機器仍然需要真的有足夠的內存。和 Span<T>一樣
  ，nint本身無法表示更大的索引空間
  ，但最後以 "won't fix" 關閉，公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，

  在 .NET 裏 ，長度是 nint，因為它包含 65,535 個 object 引用，不同的是 ，尤其是在大分配的情況下。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，

  寫在最後

  有了 BigArray<T> 、最大長度會隨塊大小增長。它可以被放進字段或從方法返回，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。更大的長度下，這樣一來，

  更進一步，以及是否固定 。而塊大小是 4,095
  ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。公開 API 的輸入會先被驗證 ，