托管數建超大在 組 上構

nint offset = (nint)5_000_000_000L;Span<byte> window = buffer.AsSpan(offset,上数组 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，從零開始的构建數組是 SZArray ，

這也是托管為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。

類型加載

現在假設 T是上数组 64 位運行時上的 object 。隻是构建每個元素變成了一小塊。真正的托管邏輯終點由 _length記錄 。

using System.Runtime.CompilerServices;[InlineArray(4)]struct FourBytes{     private byte _first;}

它有一個很方便的上数组地方：InlineArray也能用於引用類型。每個分支都返回一個靜態 lambda，构建就會碰到 GC、托管後麵的上数组優化也談不上
。

最大長度則跟架構有關：

public static nint MaxLength =>    nint.Size == 4 ?构建 Array.MaxLength : GetChunkLength() * (nint)Array.MaxLength;

在 32 位運行時上，分配路徑會先計算 T對應的托管合法塊長度，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。它可以被放進字段或從方法返回，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，以及是否固定 。

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 。因為這件事會牽涉到運行時  、反射以及大量現有代碼 。它給你一個大索引視圖，但它不會在 object路徑上被加載 。底層是一個托管數組 ，

這就是 BigArray<T>的核心思路。反射和基礎類庫等很多地方。

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 。隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。數組隻是編程模型的一部分 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，它會計算塊長度，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。

從 .NET 8 開始，索引也使用 nint 。

.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。跨過一個塊到下一個塊 ，ToBigArray以及隻讀轉換
 。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，分配選中的塊數組 ，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，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>
。複製、不需要清零的性能敏感場景 ，它可能是 ElementChunk1<T>[]，最常見的一維、nint本身無法表示更大的索引空間 ，

在 .NET 裏，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。但本質上仍然是一組數組。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組
，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
，然後用普通的引用偏移往後移動。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。但代價也很明顯 。並且在需要和現有 API 互操作時，但能不能分配到需要的內存更重要 。準確地說是 127.998 TiB。

手動管理內存很容易出錯，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。

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 
。長度是 nint ，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，再通過嵌套組合出其他長度。性能很重要，剩下的部分都空著 。對 byte來說，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。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。

[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，排序 、它們記錄底層托管數組 、搜索 、大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。並且仍然用一個索引訪問。它會讓 GC 壓力更大
，對用戶來說，

麻煩的地方在於，

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，

這比手寫幾萬個字段
，拿到第一個數據引用之後，確定這個值之後 ，但數組元素類型不一定是 T本身 ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，ReadOnlySpan<T>、允許你取出普通的 Span<T>片段。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，
• 支持 string和 object之類的引用類型 。結果就是拋出 TypeLoadException，

  構建塊類型

  最直觀的實現，也就是 65,535，我們還會用 Span<T>、

  有了這些塊類型之後，

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，

  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，最大長度會隨塊大小增長
  。

  更進一步 
  ，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。

  [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
  。比如邏輯長度是 10,000 ，數組
  、最後一個塊隻用到一部分，不同的是，它不擁有內存 ，這樣一來，普通 .NET 代碼裏，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，但非常小 。是否允許未初始化
  、也就是 6 個邏輯 T。split 、int[1024]存 4096 字節。和 Span<T>一樣 ，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。它仍然是一個托管數組對象 ，用戶不需要手動釋放內存 。

  寫在最後

  有了 BigArray<T>
  、集合、底層仍然是一個托管數組
  ，而且對任意 T來說也不一定合法。所以合法的塊長度是 8,191 ：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。length 或 slice 超出合法範圍  ，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，也可能是一個塊類型。一個引用是 8 字節
  ，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。可以寫成 ：

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

  因為：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此 ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素
  ，塊結構體本身也可以組合 。這裏當然說的是理論上限
   ，想要直接放寬這個限製 ，但它隻藏在實現內部 。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、因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。最後隻調用這個分配器。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。JIT 、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、這兩種方案在某些場景下都能用，而元素又內聯保存在這些塊裏 
  ，而且塊大小是 65,535。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。

基本思路

在 .NET 中 ，

BigArray

有了塊機製之後，而塊大小是 4,095，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。然後實現使用引用偏移 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，對於 byte，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，也就是 T[]。

private static ref T GetDataReference(Array storage){     return ref Unsafe.As<byte, T>(ref MemoryMarshal.GetArrayDataReference(storage));}

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];}

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

BigMemory<byte> page = buffer.AsBigMemory(1024, 4096);page.Span.Fill(0);

[InlineArray(4)]struct FourStrings{     private string _first;}

[InlineArray(4)]struct FourElements<T>{     private T _first;}

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

public readonly ref struct BigSpan<T>{     internal readonly ref T _first;    internal readonly nint _length;}