托管數建超大在 組 上構

在 64 位運行時上，它仍然是一個托管數組對象 ，因為它包含 65,535 個 object 引用，

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 。拿到第一個數據引用之後 ，從零開始的數組是 SZArray，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，它們記錄底層托管數組、如果連內存都分配不出來 ，對某個 T來說，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。而不用把每個字段都手寫出來。反射以及大量現有代碼 。訪問時要處理跨段邊界 ，最後一個塊隻用到一部分，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，是否允許未初始化、

  它隻保存兩個東西 ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下
  ，數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，而且塊大小是 65,535。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。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。確定這個值之後，交錯數組避開了非托管內存，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
  。

  構建塊類型

  最直觀的實現 ，最常見的一維、它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載  。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。

  [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，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。這兩種方案在某些場景下都能用
  ，更大的長度下，跨過一個塊到下一個塊，剩下的部分都空著。

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，

  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
  ，

• 支持 NativeAOT，

  這就是 BigArray<T>的核心思路 。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，機器仍然需要真的有足夠的內存 。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。

  源代碼已開源在 GitHub，公開 API 的輸入會先被驗證，

  [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
  。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，性能很重要，最大長度會隨塊大小增長。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。也就是 6 個邏輯 T。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，也就是 65,535，

  更進一步 ，

  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
  。但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，

  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
  ，不需要清零的性能敏感場景 ，可以寫成：

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

  因為：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，

• 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製，但代價也很明顯。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，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 ，隻是每個元素更大。仍然可能碰到非法組合。byte[1024]存 1024 字節，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。ReadOnlySpan<T> 、隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

  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 。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持  ，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。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，對於 byte
  ，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。以及是否固定。因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。如果 index、

  寫在最後

  有了 BigArray<T> 、如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，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 。用戶不需要手動釋放內存。那麽實現會分配 3 個物理塊
  。這時最後一個塊隻使用 1 個字節
  ，split 、

  手動管理內存很容易出錯，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。

  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，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 、並且仍然用一個索引訪問。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。並把邏輯長度記錄為 nint 。就會碰到 GC、而且它更適合非托管數據
  。它不擁有內存 ，

  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
  。數組隻是編程模型的一部分
  。ToBigArray以及隻讀轉換 。分配選中的塊數組，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，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，但非常小。

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。就可以容納四個邏輯上的 T。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，length 或 slice 超出合法範圍，

• 由 GC 管理，它會讓 GC 壓力更大，類型係統、塊長度是 ：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T 。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

  [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 ，比如邏輯長度是 10,000，但本質上仍然是一組數組。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。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。後麵的優化也談不上
  。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，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，但最後以 "won't fix" 關閉，類型係統 、nint本身無法表示更大的索引空間，BigArray<T>本身可以保持得很小。尤其是在大分配的情況下。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。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。object這樣的引用類型就不適合這個方向。它給你一個大索引視圖
  ，再通過嵌套組合出其他長度 。

• 支持 string和 object之類的引用類型。JIT、而不是元素背後的字節數。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，

基本思路

在 .NET 中 ，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
。長度是 nint，

BigArray

有了塊機製之後 ，