托管數建超大在 組 上構

在 64 位運行時上 ，上数组就可以容納四個邏輯上的构建 T 。機器仍然需要真的托管有足夠的內存 。

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 。那麽實現會分配 3 個物理塊 。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，它可能是 ElementChunk1<T>[]，length 或 slice 超出合法範圍
，但最重要的是它的實現
：真正的分配藏在 lambda 後麵，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。對於 byte ，

手動管理內存很容易出錯，

[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。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。而塊大小是 4,095，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
。而且對任意 T來說也不一定合法。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。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，

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 ，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，複製 、如果連內存都分配不出來
，底層仍然是一個托管數組，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，但有些場景確實需要大塊連續數據
，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，但最後以 "won't fix" 關閉，用戶不需要手動釋放內存 。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。長度是 nint ，這樣的類型不能被加載，ReadOnlySpan<T>、所以合法的塊長度是 8,191
 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。但能不能分配到需要的內存更重要 。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，

[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 ，數組隻是編程模型的一部分 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。而且它更適合非托管數據 。最常見的一維、底層是一個托管數組，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，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，它會計算塊長度，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。數組數據區裏連續排列著塊結構體，再通過嵌套組合出其他長度。這兩種方案在某些場景下都能用 ，byte能使用的最大塊長度，性能很重要，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining
。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。

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，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。

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
、

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 ，

但這個限製針對的是數組的元素個數，64 位係統上可以支持更大的範圍 。

有了這些塊類型之後，BigArray<T>本身可以保持得很小
。

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。split、

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，ToArray 、對於 object，

分配器來自一個針對塊長度的 switch 。一個引用是 8 字節 ，但它不會在 object路徑上被加載 。它仍然是一個托管數組對象，也就是 65,535，

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 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>  。

更進一步 ，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。最後一個塊隻用到一部分 ，集合
、它的長度受 int大小限製 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]
 。

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
。然後用普通的引用偏移往後移動。trim、

這就是 BigArray<T>的核心思路。結果就是拋出 TypeLoadException，這裏當然說的是理論上限，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。GC、我們有了 InlineArrayAttribute。但仍然不少。如果 index、尤其是在大分配的情況下 。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，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 。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、交錯數組避開了非托管內存，它們的數組長度相同 ，並且仍然用一個索引訪問 。剩下的部分都空著。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。類型係統、隻是每個元素變成了一小塊 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，最大長度會隨塊大小增長 。但非常小 。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射
。確定這個值之後 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。準確地說是 127.998 TiB。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 ，

麻煩的地方在於，拿到第一個數據引用之後
，

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。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。

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 ，而不用把每個字段都手寫出來
。

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。

[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，搜索
、

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素 ，

  源代碼已開源在 GitHub，隻是查看由別的對象保持存活的內存，而不是元素背後的字節數。它會讓 GC 壓力更大
  ，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節
  。

  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
  。分配選中的塊數組，

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。大約是 Array.MaxLength * 8191 。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。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同
  。普通 .NET 代碼裏  ，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，像 string、它給你一個大索引視圖，它不擁有內存，

• 由 GC 管理，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，也就是 T[] 
  。然後實現使用引用偏移 ，這樣一來
  ，從零開始的數組是 SZArray，

  構建塊類型

  最直觀的實現 ，我們還會用 Span<T>、而且塊大小是 65,535。最後隻調用這個分配器
  。並把邏輯長度記錄為 nint。跨過一個塊到下一個塊 ，但本質上仍然是一組數組。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。但它隻藏在實現內部。反射和基礎類庫等很多地方。

  .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。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，

  在 .NET 裏，排序、塊結構體本身也可以組合。以及是否固定。和 Span<T>一樣，

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，仍然可能碰到非法組合 。nint本身無法表示更大的索引空間
  ，

  BigArray

  有了塊機製之後
   ，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，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了  ，可以寫成：

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

  因為：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，數組、你需要管理每個內部數組的大小，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。

  它隻保存兩個東西 ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下
  ，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，並且在需要和現有 API 互操作時 ，

• 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製 ，