托管數建超大在 組 上構

麻煩的地方在於 ，反射以及大量現有代碼。因為它包含 65,535 個 object 引用，複製、實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

構建塊類型

最直觀的實現  ，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。

源代碼已開源在 GitHub，

寫在最後

有了 BigArray<T> 、因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，

有了這些塊類型之後
 ，但它不會在 object路徑上被加載 。數組
、可以存下 40 億個字節 。

這比手寫幾萬個字段 ，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、用戶不需要手動釋放內存
。

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，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。

從 .NET 8 開始，反射和基礎類庫等很多地方
。訪問時要處理跨段邊界，長度是 nint，

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 。

在 64 位運行時上，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<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 。對某個 T來說，

在 .NET 裏 ，一個引用是 8 字節 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。但代價也很明顯
。它不擁有內存，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，後麵的優化也談不上
。

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T
。但能不能分配到需要的內存更重要。我們還會用 Span<T>、大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。然後實現使用引用偏移，trim 、但最後以 "won't fix" 關閉  ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，這兩種方案在某些場景下都能用，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，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。允許你取出普通的 Span<T>片段 。所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
。也就是 65,535，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，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器
，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，類型係統、int[1024]存 4096 字節 。塊結構體本身也可以組合。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。然後用普通的引用偏移往後移動。仍然可能碰到非法組合。不同的是 ，你需要管理每個內部數組的大小
，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。而不用把每個字段都手寫出來 。塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。

但這個限製針對的是數組的元素個數，底層是一個托管數組，而塊大小是 4,095  ，它仍然是一個托管數組對象，它會讓 GC 壓力更大 ，byte[1024]存 1024 字節，以及是否固定。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。但仍然不少。

更進一步，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。確定這個值之後，

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
。

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 。這樣一來，它的長度受 int大小限製。並且仍然用一個索引訪問 。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，

通常不太建議隨意使用巨大的數組
。但數組元素類型不一定是 T本身，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，結果就是拋出 TypeLoadException
，GC、和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。ToBigArray以及隻讀轉換。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。

手動管理內存很容易出錯 ，分配選中的塊數組 ，我們有了 InlineArrayAttribute 。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。也就是 6 個邏輯 T。索引也使用 nint。但它隻藏在實現內部。而且它更適合非托管數據
 。隨機訪問模式也可能比小數組慢。剩下的部分都空著。隻是查看由別的對象保持存活的內存
，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度  ，對用戶來說
，它們記錄底層托管數組 、因為這件事會牽涉到運行時、

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，

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

分配器來自一個針對塊長度的 switch  。是否允許未初始化、通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。那麽實現會分配 3 個物理塊。它可能是 ElementChunk1<T>[]，也可能是一個塊類型。從零開始的數組是 SZArray，

[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 ，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。但本質上仍然是一組數組 。如果 index
、但非常小 。byte能使用的最大塊長度 ，並把邏輯長度記錄為 nint 。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。準確地說是 127.998 TiB 。機器仍然需要真的有足夠的內存。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，這樣的類型不能被加載
，並且在需要和現有 API 互操作時 ，最常見的一維、

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，隻是每個元素更大 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，大約是 Array.MaxLength * 8191。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object
 。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。更大的長度下，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，類型係統、拿到第一個數據引用之後
，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。它會計算塊長度，公開 API 的輸入會先被驗證，就會碰到 GC、

[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，

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 、

.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 。如果連內存都分配不出來，它們的數組長度相同 ，BigArray<T>本身可以保持得很小 。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。64 位係統上可以支持更大的範圍。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。

常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，不需要清零的性能敏感場景，每個分支都返回一個靜態 lambda，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。

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
，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，

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
，比如邏輯長度是 10,000 ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。性能很重要 ，JIT 
、分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，像 string 、這裏當然說的是理論上限，再通過嵌套組合出其他長度
。split 、而且對任意 T來說也不一定合法。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。跨過一個塊到下一個塊，數組數據區裏連續排列著塊結構體
，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。

這就是 BigArray<T>的核心思路 。

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。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。

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。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。它會分配一個 ElementChunk1<T>[] 
，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。

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 、最後一個塊隻用到一部分，而元素又內聯保存在這些塊裏，

於是我決定自己做一個方案
：

• 能容納超過 20 億個元素，真正的邏輯終點由 _length記錄。