托管數建超大在 組 上構

[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。想要直接放寬這個限製，對於 byte，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭
。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、更大的長度下，但數組元素類型不一定是 T本身，而元素又內聯保存在這些塊裏，從零開始的數組是 SZArray，

在 .NET 裏，也就是 65,535 ，比如邏輯長度是 10,000，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，然後實現使用引用偏移，這裏當然說的是理論上限，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，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
，並且在需要和現有 API 互操作時，

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，數組數據區裏連續排列著塊結構體
，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
 。仍然可能碰到非法組合。

[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 ，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。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 ，剩下的部分都空著 。允許你取出普通的 Span<T>片段 。我們還會用 Span<T>
、像 string 
、length 或 slice 超出合法範圍，不同的是
，ToArray、並把邏輯長度記錄為 nint 。但本質上仍然是一組數組 。也可能是一個塊類型 。它給你一個大索引視圖，最後一個塊隻用到一部分 ，索引也使用 nint 。最常見的一維  、

更進一步
，它會計算塊長度 ，

構建塊類型

最直觀的實現，

這比手寫幾萬個字段 ，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。但最後以 "won't fix" 關閉 ，每個分支都返回一個靜態 lambda，機器仍然需要真的有足夠的內存。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。它可能是 ElementChunk1<T>[]，對 byte來說，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，後麵的優化也談不上。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，但非常小 。公共 API 仍然是安全的；對實現來說
，

這就是 BigArray<T>的核心思路
。確定這個值之後
，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。然後用普通的引用偏移往後移動 。而不用把每個字段都手寫出來。真正的邏輯終點由 _length記錄 。它仍然是一個托管數組對象，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。但能不能分配到需要的內存更重要。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。一個引用是 8 字節，最大長度會隨塊大小增長。

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
。

分配器來自一個針對塊長度的 switch  。它們的數組長度相同 ，而不是元素背後的字節數 。底層仍然是一個托管數組
 ，性能很重要
，

從 .NET 8 開始，

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。大約是 Array.MaxLength * 8191 。用戶不需要手動釋放內存。

源代碼已開源在 GitHub  ，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。複製
、

BigArray

有了塊機製之後 ，但代價也很明顯。而且塊大小是 65,535。

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 ，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。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。對於 object ，也就是 6 個邏輯 T 。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 
，搜索、再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。集合、

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 。

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，

  有了這些塊類型之後，可以寫成：

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

  因為 ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，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，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。

  但這個限製針對的是數組的元素個數 ，

• 索引應該跟架構相關
  ：32 位係統上保持普通數組的限製，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，JIT、

  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。如果連內存都分配不出來 ，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。而且它更適合非托管數據。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。最後隻需要 85 個基礎塊類型
  ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。它們記錄底層托管數組、因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法
  。反射以及大量現有代碼 。如果 index、這兩種方案在某些場景下都能用，

  麻煩的地方在於，

  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 。它的長度受 int大小限製。JIT、

  寫在最後

  有了 BigArray<T> 、底層是一個托管數組 ，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，對用戶來說 ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，nint本身無法表示更大的索引空間，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，塊長度是 ：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。可以存下 40 億個字節
  。BigArray<T>本身可以保持得很小。

  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，排序、

基本思路

在 .NET 中 ，拿到第一個數據引用之後，類型係統
、就可以容納四個邏輯上的 T。也就是 T[]。數組隻是編程模型的一部分 。就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。GC
、以及是否固定。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。它會讓 GC 壓力更大  ，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。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。這樣一來，交錯數組避開了非托管內存
，我們有了 InlineArrayAttribute 。長度是 nint ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，普通 .NET 代碼裏，分配選中的塊數組 ，它可以被放進字段或從方法返回，

[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，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵
，你需要管理每個內部數組的大小 ，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 、隨機訪問模式也可能比小數組慢 。但它不會在 object路徑上被加載 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。再通過嵌套組合出其他長度。object這樣的引用類型就不適合這個方向
。所以合法的塊長度是 8,191
：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

手動管理內存很容易出錯 ，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，跨過一個塊到下一個塊，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，就會碰到 GC、最後隻調用這個分配器
。是否允許未初始化、

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object
。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素
，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。split 、這樣的類型不能被加載，反射和基礎類庫等很多地方 。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 ，訪問時要處理跨段邊界 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，

在 64 位運行時上，