托管數建超大在 組 上構

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，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度
，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了 
。分配選中的塊數組 ，然後用普通的引用偏移往後移動 。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節
。隻是每個元素更大。剩下的部分都空著。會在到達這條路徑之前失敗。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。

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，

[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 。可以寫成
：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此
 ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。隻是查看由別的對象保持存活的內存
，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。比如邏輯長度是 10,000，再通過嵌套組合出其他長度  。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，它們記錄底層托管數組、再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T
 。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。索引也使用 nint
。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。你需要管理每個內部數組的大小，塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。也就是 T[]。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，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。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 ，ToBigArray以及隻讀轉換 。因為這件事會牽涉到運行時 、類型係統
   、我們有了 InlineArrayAttribute
  。但有些場景確實需要大塊連續數據，用戶不需要手動釋放內存。就可以容納四個邏輯上的 T。trim、它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。不同的是，對某個 T來說 ，它不擁有內存 ，這樣的類型不能被加載
  ，確定這個值之後，byte能使用的最大塊長度 ，以及是否固定。長度是 nint，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，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、和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。

  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。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。底層仍然是一個托管數組，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。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 、

  [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，反射以及大量現有代碼。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。ReadOnlySpan<T> 、

  如果 index 、它會計算塊長度，

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，而且它更適合非托管數據 。可以存下 40 億個字節。

  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。跨過一個塊到下一個塊
  ，並把邏輯長度記錄為 nint
  。但它隻藏在實現內部。是否允許未初始化
  、

  手動管理內存很容易出錯，如果連內存都分配不出來，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[]。

  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。

  源代碼已開源在 GitHub，普通 .NET 代碼裏 ，排序
  、

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，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 ，BigArray<T>本身可以保持得很小。搜索
  、所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。

  構建塊類型

  最直觀的實現 ，它的長度受 int大小限製。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，集合、公開 API 的輸入會先被驗證，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，int[1024]存 4096 字節
   。

  更進一步，而塊大小是 4,095，這裏當然說的是理論上限  ，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 
  。

• 支持 NativeAOT，所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。JIT
  、

  在 64 位運行時上 
  ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。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 ，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。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，

  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，split、它可以被放進字段或從方法返回，但它不會在 object路徑上被加載。

• 支持 string和 object之類的引用類型 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。它會讓 GC 壓力更大
  ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度
  ，底層是一個托管數組
  ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，數組
  、ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，而不用把每個字段都手寫出來 。nint本身無法表示更大的索引空間 ，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，性能很重要，

  這比手寫幾萬個字段
  ，最後隻調用這個分配器 。但代價也很明顯 。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，

• 由 GC 管理，訪問時要處理跨段邊界
  ，

  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 ，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵
  ，拿到第一個數據引用之後 ，並且仍然用一個索引訪問。更大的長度下，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 ，並且在需要和現有 API 互操作時，

  麻煩的地方在於，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，和 Span<T>一樣，

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，複製、隨機訪問模式也可能比小數組慢 。對於 object，塊結構體本身也可以組合 。這兩種方案在某些場景下都能用，

• 連續托管內存分配 。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 ，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
  。公共 API 仍然是安全的；對實現來說
  ，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
  。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，length 或 slice 超出合法範圍，

  .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。不需要清零的性能敏感場景 ，每個分支都返回一個靜態 lambda ，隻是每個元素變成了一小塊。後麵的優化也談不上
  。

  這就是 BigArray<T>的核心思路。一個引用是 8 字節 ，也可能是一個塊類型。

  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 
  。類型係統 、它可能是 ElementChunk1<T>[] ，想要直接放寬這個限製，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間
  ？答案是會，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。