托管數建超大在 組 上構

麻煩的地方在於 ，分配選中的塊數組 ，

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。跨過一個塊到下一個塊，隻是每個元素變成了一小塊
。而不是元素背後的字節數。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，性能很重要  ，而且塊大小是 65,535 。它可能是 ElementChunk1<T>[]，split、因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，因為這件事會牽涉到運行時
、

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 。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。

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，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，

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 ，但有些場景確實需要大塊連續數據，底層是一個托管數組，

[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 ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，結果就是拋出 TypeLoadException
，對某個 T來說，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，

但這個限製針對的是數組的元素個數，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，int[1024]存 4096 字節。搜索、但非常小。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，

常見的解決辦法大概有兩類
：一類是分配非托管內存 ，64 位係統上可以支持更大的範圍。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。並且仍然用一個索引訪問。數組隻是編程模型的一部分 。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。普通 .NET 代碼裏 ，後麵的優化也談不上。就會碰到 GC、隨機訪問模式也可能比小數組慢 。它仍然是一個托管數組對象，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  。

有了這些塊類型之後 ，並且在需要和現有 API 互操作時
，類型係統、大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，數組、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。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，它可以被放進字段或從方法返回，byte能使用的最大塊長度，準確地說是 127.998 TiB 。機器仍然需要真的有足夠的內存。可以存下 40 億個字節。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，

[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，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，

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 。就可以容納四個邏輯上的 T。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。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，length 或 slice 超出合法範圍，索引也使用 nint 。比如邏輯長度是 10,000 ，它會讓 GC 壓力更大，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。它們的數組長度相同，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。一個引用是 8 字節，trim、也就是 6 個邏輯 T。長度是 nint，但它不會在 object路徑上被加載。而塊大小是 4,095，

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，

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。不同的是 ，這樣的類型不能被加載，類型係統 、排序、因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。而且對任意 T來說也不一定合法。尤其是在大分配的情況下 。反射和基礎類庫等很多地方。對於 byte ，但最後以 "won't fix" 關閉，

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。交錯數組避開了非托管內存  ，像 string、作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。byte[1024]存 1024 字節，你需要管理每個內部數組的大小，

.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。公開 API 的輸入會先被驗證，複製、它們記錄底層托管數組、數組數據區裏連續排列著塊結構體，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。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。但仍然不少 。

它隻保存兩個東西 ：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。

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、

源代碼已開源在 GitHub，如果 index、塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，不需要清零的性能敏感場景
  ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array
  ：實際運行時類型取決於 T。而不用把每個字段都手寫出來 。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。公共 API 仍然是安全的；對實現來說  ，

  在 .NET 裏 ，集合、剩下的部分都空著。

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。

  寫在最後

  有了 BigArray<T>、

  BigArray

  有了塊機製之後
  ，對 byte來說
  ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。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 ，每個分支都返回一個靜態 lambda ，對用戶來說 ，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>  。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊
  ，ReadOnlySpan<T>、大約是 Array.MaxLength * 8191 。而且它更適合非托管數據 。再通過嵌套組合出其他長度 。也就是 T[]。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。允許你取出普通的 Span<T>片段。GC、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、

  這比手寫幾萬個字段
  ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，

• 連續托管內存分配
  。用戶不需要手動釋放內存 。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。我們有了 InlineArrayAttribute。對於 object
  ，ToBigArray以及隻讀轉換。最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。和 Span<T>一樣，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號  。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，那麽實現會分配 3 個物理塊。但本質上仍然是一組數組 。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。是否允許未初始化 、真正的邏輯終點由 _length記錄。想要直接放寬這個限製 ，並把邏輯長度記錄為 nint
  。這裏當然說的是理論上限，它不擁有內存，拿到第一個數據引用之後 ，它的長度受 int大小限製。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，更大的長度下，最後一個塊隻用到一部分，我們還會用 Span<T>、這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，但數組元素類型不一定是 T本身，但能不能分配到需要的內存更重要。

  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。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。也可能是一個塊類型。

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。可以寫成：

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

  因為 ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，它給你一個大索引視圖，

  因為它包含 65,535 個 object 引用 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，從零開始的數組是 SZArray ，
• 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製 ，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。以及是否固定
  。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。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。最後隻調用這個分配器。它會計算塊長度，BigArray<T>本身可以保持得很小
  。

  這就是 BigArray<T>的核心思路
  。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會
  ，