托管數建超大在 組 上構

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間
？答案是會 ，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 。但本質上仍然是一組數組。它仍然是一個托管數組對象，準確地說是 127.998 TiB 。隻是查看由別的對象保持存活的內存，那麽實現會分配 3 個物理塊 。你需要管理每個內部數組的大小 ，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，類型係統、Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。跨過一個塊到下一個塊，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，64 位係統上可以支持更大的範圍 。訪問時要處理跨段邊界，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查
。集合
、像 string 、最後一個塊隻用到一部分，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。

[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。int[1024]存 4096 字節。拿到第一個數據引用之後，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，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，並且在需要和現有 API 互操作時
，它給你一個大索引視圖，ReadOnlySpan<T>
、但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，ToBigArray以及隻讀轉換 。會在到達這條路徑之前失敗。塊結構體本身也可以組合 
。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。比如邏輯長度是 10,000，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，但數組元素類型不一定是 T本身 ，也就是 65,535，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。

更進一步 ，類型係統、因為這件事會牽涉到運行時、byte能使用的最大塊長度，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。它可以被放進字段或從方法返回 ，它會計算塊長度，它不擁有內存，

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。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。公開 API 的輸入會先被驗證
，長度是 nint ，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，JIT、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，但非常小。對某個 T來說，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，再通過嵌套組合出其他長度 。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。

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 。

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 。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，

有了這些塊類型之後，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。如果連內存都分配不出來  ，機器仍然需要真的有足夠的內存。

分配器來自一個針對塊長度的 switch。分配選中的塊數組，數組、ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。

在 .NET 裏 ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。

[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，

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、數組隻是編程模型的一部分。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。反射以及大量現有代碼  。BigArray<T>本身可以保持得很小。這兩種方案在某些場景下都能用 ，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 
，

源代碼已開源在 GitHub
，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。

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。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。隻是每個元素變成了一小塊  。然後實現使用引用偏移 ，和 Span<T>一樣，它們記錄底層托管數組 、

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。但有些場景確實需要大塊連續數據 ，

在 64 位運行時上 ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，搜索、大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。不同的是，數組數據區裏連續排列著塊結構體，並且仍然用一個索引訪問 。

通常不太建議隨意使用巨大的數組 
。反射和基礎類庫等很多地方
。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。

[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，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。length 或 slice 超出合法範圍，也可能是一個塊類型 
。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，對於 byte，這裏當然說的是理論上限，

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 。索引也使用 nint 。對於 object，如果 index、也就是 6 個邏輯 T。再用一個類包起來；另一類是用交錯數組模擬一個更大的數組。

但這個限製針對的是數組的元素個數，因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，而不用把每個字段都手寫出來。

.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。

這就是 BigArray<T>的核心思路。

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 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。性能很重要，交錯數組避開了非托管內存 
，

從 .NET 8 開始，用戶不需要手動釋放內存 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，它們的數組長度相同，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。真正的邏輯終點由 _length記錄。而不是元素背後的字節數。也就是 T[]。這樣一來，

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存
，

構建塊類型

最直觀的實現 
，隨機訪問模式也可能比小數組慢。大約是 Array.MaxLength * 8191。而且對任意 T來說也不一定合法
。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 。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。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，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭
。

BigArray

有了塊機製之後，想要直接放寬這個限製，從零開始的數組是 SZArray
，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。

  寫在最後

  有了 BigArray<T>、而且塊大小是 65,535
  。nint本身無法表示更大的索引空間 ，複製、

  麻煩的地方在於 ，普通 .NET 代碼裏
  ，byte[1024]存 1024 字節 ，允許你取出普通的 Span<T>片段。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
  、分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，以及是否固定 。但能不能分配到需要的內存更重要。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，然後用普通的引用偏移往後移動。

  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，GC、它的長度受 int大小限製。一個引用是 8 字節，最後隻調用這個分配器。但代價也很明顯。ToArray、這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，