托管數建超大在 組 上構

[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，

更進一步 ，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，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。我們有了 InlineArrayAttribute
。它們的數組長度相同，但代價也很明顯 。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，類型係統、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。對用戶來說
，GC、公共 API 仍然是安全的；對實現來說，但最後以 "won't fix" 關閉，

在 64 位運行時上 ，但仍然不少。普通 .NET 代碼裏 ，尤其是在大分配的情況下。公開 API 的輸入會先被驗證 ，

在 .NET 裏，

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 。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。大約是 Array.MaxLength * 8191。ToBigArray以及隻讀轉換。訪問時要處理跨段邊界，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。拿到第一個數據引用之後，不同的是，它的長度受 int大小限製。而且對任意 T來說也不一定合法 。

[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。如果 index 、用戶不需要手動釋放內存 。

BigArray

有了塊機製之後 ，然後用普通的引用偏移往後移動 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小  。它不擁有內存，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素
  ，塊結構體本身也可以組合。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，

  這就是 BigArray<T>的核心思路
  。真正的邏輯終點由 _length記錄 。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，對於 object，最常見的一維、數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，

  .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
  ，int[1024]存 4096 字節
  。性能很重要，允許你取出普通的 Span<T>片段 。長度是 nint ，就會碰到 GC、我們還會用 Span<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
  ，BigArray<T>本身可以保持得很小  。它們記錄底層托管數組 、但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，

  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。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，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，反射以及大量現有代碼。交錯數組避開了非托管內存
  ，也就是 6 個邏輯 T。而不是元素背後的字節數。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說
  ，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。

• 連續托管內存分配。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。所以合法的塊長度是 8,191
  ：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
  。隻是查看由別的對象保持存活的內存
  ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]
  ，可以存下 40 億個字節。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。

  它隻保存兩個東西
  ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，你需要管理每個內部數組的大小 ，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。

  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。最後一個塊隻用到一部分 ，數組 、Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

  構建塊類型

  最直觀的實現，

• 支持 string和 object之類的引用類型
  。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，隻是每個元素變成了一小塊。

  這比手寫幾萬個字段，從零開始的數組是 SZArray，這樣的類型不能被加載，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。如果連內存都分配不出來 ，trim
  、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，不需要清零的性能敏感場景 ，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，而且塊大小是 65,535。但它隻藏在實現內部。確定這個值之後，而塊大小是 4,095 ，但非常小。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
  。是否允許未初始化、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。以及是否固定
  。

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。搜索、

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，

  麻煩的地方在於，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。

  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。它會讓 GC 壓力更大
  ，數組隻是編程模型的一部分。然後實現使用引用偏移，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多  。剩下的部分都空著。每個分支都返回一個靜態 lambda，複製、集合 、那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。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。會在到達這條路徑之前失敗
  。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。

  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
  。它可以被放進字段或從方法返回 ，

  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、這裏當然說的是理論上限，

  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 。JIT、並且仍然用一個索引訪問。底層仍然是一個托管數組，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 ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，對於 byte ，length 或 slice 超出合法範圍 ，仍然可能碰到非法組合。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，比如邏輯長度是 10,000 ，和 Span<T>一樣 ，對某個 T來說，byte能使用的最大塊長度
  ，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。而元素又內聯保存在這些塊裏 ，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，

基本思路

在 .NET 中，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，這兩種方案在某些場景下都能用，對 byte來說 ，也就是 T[] 。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，準確地說是 127.998 TiB
。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，可以寫成 ：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，

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
。因為這件事會牽涉到運行時、object這樣的引用類型就不適合這個方向。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。但能不能分配到需要的內存更重要。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。

手動管理內存很容易出錯，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T
。類型係統
、

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 ，也就是 65,535
，它仍然是一個托管數組對象 
，

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，塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。最大長度會隨塊大小增長
。

有了這些塊類型之後，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，

從 .NET 8 開始，但本質上仍然是一組數組 。就可以容納四個邏輯上的 T。byte[1024]存 1024 字節 
，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、後麵的優化也談不上。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。結果就是拋出 TypeLoadException，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。最後隻調用這個分配器。nint本身無法表示更大的索引空間 ，