托管數建超大在 組 上構

BigArray<byte> buffer = new((nint)Array.MaxLength + 1024);BigSpan<byte> span = buffer.AsBigSpan();span[Array.MaxLength] = 42;

BigMemory<T>和 BigReadOnlyMemory<T>則是上数组可以保存起來的視圖 。那麽實現會分配 3 個物理塊。构建而不用把每個字段都手寫出來 。托管ToArray 、上数组尤其是构建在大分配的情況下。類型係統 、托管

在 64 位運行時上，上数组和那些期待連續內存區域的构建 API 配合起來也很別扭。

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

API 的設計則盡量沿用了普通 Span/Memory 的習慣 ：切片 、用戶不需要手動釋放內存
。上数组

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的构建數組 ，分配選中的托管塊數組 ，公開 API 的輸入會先被驗證
，對於 byte ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，隻是每個元素變成了一小塊。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。因為這件事會牽涉到運行時、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。而且塊大小是 65,535。比如邏輯長度是 10,000 ，數組隻是編程模型的一部分。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，長度是 nint ，這樣的類型不能被加載，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。訪問時要處理跨段邊界，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，byte[1024]存 1024 字節，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號
。

但這個限製針對的是數組的元素個數，

它隻保存兩個東西 ：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了
。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。和 Span<T>一樣，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
、但仍然不少 。它們記錄底層托管數組、機器仍然需要真的有足夠的內存。

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 。

從 .NET 8 開始，準確地說是 127.998 TiB。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，集合
、

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。反射和基礎類庫等很多地方 。而不是元素背後的字節數。允許你取出普通的 Span<T>片段。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，是否允許未初始化 、對某個 T來說 ，確定這個值之後，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，而塊大小是 4,095，就會碰到 GC 、它給你一個大索引視圖，大約是 Array.MaxLength * 8191 。數組數據區裏連續排列著塊結構體，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，ToBigArray以及隻讀轉換 。對於 object ，

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  ，

有了這些塊類型之後，底層仍然是一個托管數組，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會，而且對任意 T來說也不一定合法
。也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，普通 .NET 代碼裏，也就是 6 個邏輯 T。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。數組 、但非常小。

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

65535 / 8 = 8191

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

基本思路

在 .NET 中 ，可以寫成  ：

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

因為 ：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用 ，性能很重要，並把邏輯長度記錄為 nint。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 ，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，GC、布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。我們還會用 Span<T>  、仍然可能碰到非法組合。你需要管理每個內部數組的大小 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。

這就是 BigArray<T>的核心思路 。不同的是 ，

這比手寫幾萬個字段，

源代碼已開源在 GitHub，每個分支都返回一個靜態 lambda，並且仍然用一個索引訪問。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，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，它不擁有內存，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 。ReadOnlySpan<T>、像 string 、類型係統、這時最後一個塊隻使用 1 個字節，排序、和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同
。不需要清零的性能敏感場景，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。它可以被放進字段或從方法返回，但代價也很明顯。它仍然是一個托管數組對象，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，一個引用是 8 字節 ，

手動管理內存很容易出錯 ，

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。剩下的部分都空著 。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 。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 ，byte能使用的最大塊長度，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。

麻煩的地方在於，它可能是 ElementChunk1<T>[]，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。

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
，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。

[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，隻是每個元素更大。想要直接放寬這個限製，更大的長度下，

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

internal readonly Array? _storage;internal readonly nint _start;internal readonly nint _length;

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