托管數建超大在 組 上構

於是上数组我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了  ，构建再用一個類包起來；另一類是托管用交錯數組模擬一個更大的數組
  。但數組元素類型不一定是上数组 T本身 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，构建是托管否允許未初始化、

  從 .NET 8 開始
  ，上数组分配時隻需要計算請求的构建邏輯長度需要多少個物理塊
  。訪問時要處理跨段邊界，托管和 BigArray<T>暴露出來的上数组邏輯長度不同 。再把這些塊裏的构建數據看成一段連續的 T。為了覆蓋 1 到 65,托管535 之間需要的塊長度，它可能是上数组 ElementChunk1<T>[]，它可以讓一個 struct 表示固定數量的构建重複字段，最常見的托管一維 、

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，而且它更適合非托管數據。這兩種方案在某些場景下都能用 ，一個引用是 8 字節 ，這樣的類型不能被加載
  ，

  [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。

  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，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。最大長度會隨塊大小增長。也就是 T[]。但它隻藏在實現內部
  。

  在 .NET 裏，

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。普通 .NET 代碼裏，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。機器仍然需要真的有足夠的內存。和 Span<T>一樣，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。這樣一來，像 string 、GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，可以寫成：

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

  因為 ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，

• 連續托管內存分配。允許你取出普通的 Span<T>片段。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。

• 支持 NativeAOT ，也可能是一個塊類型
  。

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。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  ，仍然可能碰到非法組合。

  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，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。尤其是在大分配的情況下 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。但能不能分配到需要的內存更重要 。並且仍然用一個索引訪問。

• 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製 ，64 位係統上可以支持更大的範圍
  。結果就是拋出 TypeLoadException，塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。並把邏輯長度記錄為 nint。反射和基礎類庫等很多地方 。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。就可以容納四個邏輯上的 T。但非常小。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，它會計算塊長度
  ，類型係統、

  寫在最後

  有了 BigArray<T> 、那麽實現會分配 3 個物理塊 。

  有了這些塊類型之後，

  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。比如邏輯長度是 10,000 ，後麵的優化也談不上。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，

  這比手寫幾萬個字段
  ，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
  。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。ReadOnlySpan<T> 、數組 、如果 index、你需要管理每個內部數組的大小 ，

  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，但它不會在 object路徑上被加載。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 ，

  這就是 BigArray<T>的核心思路 。對 byte來說，不同的是 ，交錯數組避開了非托管內存  ，對用戶來說，但本質上仍然是一組數組。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。它們記錄底層托管數組 、想要直接放寬這個限製 ，而塊大小是 4,095 ，

  BigArray

  有了塊機製之後 ，每個分支都返回一個靜態 lambda，GC 、跨過一個塊到下一個塊，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，並且在需要和現有 API 互操作時 ，大約是 Array.MaxLength * 8191。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。它可以被放進字段或從方法返回
  ，也就是 65,535，ToBigArray以及隻讀轉換。

  源代碼已開源在 GitHub ，對某個 T來說
  ，但代價也很明顯。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，可以存下 40 億個字節。所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。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 ，然後用普通的引用偏移往後移動。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，排序 、隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了
  。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。

  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、

  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。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，而不是元素背後的字節數。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。從零開始的數組是 SZArray ，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
  。數組隻是編程模型的一部分。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，確定這個值之後 ，如果連內存都分配不出來，以及是否固定。

  [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
  ，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度
  ，trim、但有些場景確實需要大塊連續數據 ，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。會在到達這條路徑之前失敗。它仍然是一個托管數組對象 ，不需要清零的性能敏感場景，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。它們的數組長度相同，split 、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、

  它隻保存兩個東西 ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下 ，我們還會用 Span<T>、

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，object這樣的引用類型就不適合這個方向
  。因為這件事會牽涉到運行時
  、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。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch 
  。最後一個塊隻用到一部分 ，nint本身無法表示更大的索引空間
  ，最後隻調用這個分配器
  。而且對任意 T來說也不一定合法。我們有了 InlineArrayAttribute 。底層仍然是一個托管數組，BigArray<T>本身可以保持得很小。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。JIT、而不用把每個字段都手寫出來
  。

  sizeof(T)	chunkSize	最壞情況多出的元素數	最壞情況多出的字節數
  1	65535	65534	65534 B
  2	32767	32766	65532 B
  3	21845	21844	65532 B
  4	16383	16382	65528 B
  8	8191	8190	65520 B
  16	4095	4094	65504 B
  257	255	254	65278 B
  32768+	1	0	0 B

  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，

  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 。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。而且塊大小是 65,535。

• 由 GC 管理，

  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，JIT 、

  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 。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，byte[1024]存 1024 字節，但最後以 "won't fix" 關閉，

  在 64 位運行時上，

  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
  。就會碰到 GC
   、這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。真正的邏輯終點由 _length記錄 。分配選中的塊數組，長度是 nint
   ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
  。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
  、拿到第一個數據引用之後
  ，它給你一個大索引視圖 ，

基本思路

在 .NET 中 ，然後實現使用引用偏移，

但這個限製針對的是數組的元素個數，再通過嵌套組合出其他長度。集合、

手動管理內存很容易出錯，

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。索引也使用 nint
。隨機訪問模式也可能比小數組慢
。這裏當然說的是理論上限 ，但仍然不少。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。

[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，複製  、隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，隻是每個元素更大。數組數據區裏連續排列著塊結構體，塊結構體本身也可以組合。準確地說是 127.998 TiB。

更進一步
，它的長度受 int大小限製 。ToArray 、

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會
，

.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。隻是每個元素變成了一小塊 。

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