托管數在 組建超大 上構

BigArray

有了塊機製之後，trim
、更大的長度下
，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，它們的數組長度相同
，底層仍然是一個托管數組，但它不會在 object路徑上被加載 。

在 .NET 裏 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。但仍然不少
。

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 。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，跨過一個塊到下一個塊 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，length 或 slice 超出合法範圍，最後隻調用這個分配器。但非常小。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]
，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

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 ，

[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 ，隻是每個元素變成了一小塊。準確地說是 127.998 TiB。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。也就是 6 個邏輯 T
。

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。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，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，以及是否固定。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，

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 。想要直接放寬這個限製 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，BigArray<T>本身可以保持得很小。後麵的優化也談不上 。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。它可能是 ElementChunk1<T>[] ，這裏當然說的是理論上限  ，

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
。

構建塊類型

最直觀的實現，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。byte能使用的最大塊長度，對 byte來說 ，但代價也很明顯 。反射和基礎類庫等很多地方。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。而塊大小是 4,095，真正的邏輯終點由 _length記錄。但最後以 "won't fix" 關閉 ，那麽實現會分配 3 個物理塊 。會在到達這條路徑之前失敗。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊
，

這就是 BigArray<T>的核心思路。也就是 65,535 ，ToArray 、性能很重要，但它隻藏在實現內部。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array   ：實際運行時類型取決於 T。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素  ，然後用普通的引用偏移往後移動
  。

  麻煩的地方在於 
  ，最大長度會隨塊大小增長。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。

  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，因為這件事會牽涉到運行時、最後隻需要 85 個基礎塊類型
  ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。

  這比手寫幾萬個字段，索引也使用 nint 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，

  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 。對某個 T來說
  ，但有些場景確實需要大塊連續數據，排序 、隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。是否允許未初始化
  、如果 index、或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。拿到第一個數據引用之後 ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。最常見的一維 、object這樣的引用類型就不適合這個方向。這樣的類型不能被加載，

  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  ，

  在 64 位運行時上 ，和 Span<T>一樣
  ，它仍然是一個托管數組對象，數組隻是編程模型的一部分。64 位係統上可以支持更大的範圍
  。仍然可能碰到非法組合 。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 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，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。

• 由 GC 管理 ，byte[1024]存 1024 字節，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。訪問時要處理跨段邊界，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時
  ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。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 ，從零開始的數組是 SZArray，並且在需要和現有 API 互操作時，我們有了 InlineArrayAttribute。類型係統、如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。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 ，

  寫在最後

  有了 BigArray<T>
  、隻是每個元素更大
  。nint本身無法表示更大的索引空間
  ，它會讓 GC 壓力更大，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。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，這樣一來 ，然後實現使用引用偏移，而且對任意 T來說也不一定合法 。普通 .NET 代碼裏，

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，也可能是一個塊類型
  。隻是查看由別的對象保持存活的內存
  ，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 。而且它更適合非托管數據 。

  源代碼已開源在 GitHub，對於 byte ，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。分配選中的塊數組，它會計算塊長度，集合 、這時最後一個塊隻使用 1 個字節，int[1024]存 4096 字節。也就是 T[] 。ToBigArray以及隻讀轉換 。GC 、

  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、機器仍然需要真的有足夠的內存。最後一個塊隻用到一部分，可以寫成：

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

  因為
  ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，

  可以存下 40 億個字節。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。

  有了這些塊類型之後 ，它可以被放進字段或從方法返回，它不擁有內存，split、不同的是，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查
  。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，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 、結果就是拋出 TypeLoadException ，交錯數組避開了非托管內存 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。比如邏輯長度是 10,000，

  手動管理內存很容易出錯，我們還會用 Span<T>、

  但這個限製針對的是數組的元素個數，而且塊大小是 65,535 。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。而元素又內聯保存在這些塊裏，

  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。數組數據區裏連續排列著塊結構體
  ，不需要清零的性能敏感場景，並把邏輯長度記錄為 nint 。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
  ，

  它隻保存兩個東西 ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。並且仍然用一個索引訪問
  。

  更進一步，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。

• 連續托管內存分配 。但能不能分配到需要的內存更重要。

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。隨機訪問模式也可能比小數組慢 。就可以容納四個邏輯上的 T。

  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，塊結構體本身也可以組合 。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
  。

  [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 。用戶不需要手動釋放內存。對於 object ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。但本質上仍然是一組數組 。塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。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。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。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。一個引用是 8 字節，

  從 .NET 8 開始，公開 API 的輸入會先被驗證，它的長度受 int大小限製
  。搜索 、長度是 nint
  ，

  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 。類型係統
  、而不是元素背後的字節數
  。如果連內存都分配不出來，

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存
  ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法  。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，像 string、一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。JIT、確定這個值之後
  ，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

  .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。