托管數建超大在 組 上構

源代碼已開源在 GitHub，

手動管理內存很容易出錯，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 
。

麻煩的地方在於
，GC、如果連內存都分配不出來，

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 ，並且仍然用一個索引訪問 。

從 .NET 8 開始 ，底層仍然是一個托管數組 ，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。交錯數組避開了非托管內存，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的
。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，nint本身無法表示更大的索引空間，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。

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。

這就是 BigArray<T>的核心思路 。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。分配選中的塊數組
，但非常小。它給你一個大索引視圖，隨機訪問模式也可能比小數組慢 。就可以容納四個邏輯上的 T。而不是元素背後的字節數。這樣一來 ，我們有了 InlineArrayAttribute。JIT、而且塊大小是 65,535 。隻是查看由別的對象保持存活的內存，準確地說是 127.998 TiB 。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，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，拿到第一個數據引用之後 ，ReadOnlySpan<T> 、

BigArray

有了塊機製之後，反射和基礎類庫等很多地方 。底層是一個托管數組，

通常不太建議隨意使用巨大的數組。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。

[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
，性能很重要 ，允許你取出普通的 Span<T>片段  。

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 ，如果 index、類型係統
、也就是 T[]
。想要直接放寬這個限製，這裏當然說的是理論上限
，結果就是拋出 TypeLoadException ，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，

分配器來自一個針對塊長度的 switch。數組隻是編程模型的一部分 。長度是 nint，後麵的優化也談不上。但最後以 "won't fix" 關閉 ，再通過嵌套組合出其他長度。trim、BigArray<T>本身可以保持得很小。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素
  。因為這件事會牽涉到運行時
  、它會讓 GC 壓力更大
  ，

  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
  。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
  。數組 、

  在 64 位運行時上 ，

  更進一步 ，

  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。和 Span<T>一樣，但它隻藏在實現內部。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存
  ，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  ，集合、對某個 T來說
  ，然後實現使用引用偏移，

  [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。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，

  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 * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，你需要管理每個內部數組的大小 ，

  但這個限製針對的是數組的元素個數
  ，JIT、以及是否固定  。對用戶來說 ，

  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，最常見的一維、

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。它們的數組長度相同 ，它不擁有內存 ，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
  ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。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。object這樣的引用類型就不適合這個方向。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，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。

  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 。數組數據區裏連續排列著塊結構體，

• 支持 string和 object之類的引用類型。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，索引也使用 nint
  。塊結構體本身也可以組合。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，就會碰到 GC 、所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。而且對任意 T來說也不一定合法。
• 支持 NativeAOT ，但本質上仍然是一組數組。塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。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
   、則可以盡量接近直接數組訪問的成本。最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。每個分支都返回一個靜態 lambda，ToArray、用戶不需要手動釋放內存。機器仍然需要真的有足夠的內存。64 位係統上可以支持更大的範圍 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。可以存下 40 億個字節  。對於 byte ，int[1024]存 4096 字節 。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。

  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 。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，排序、更大的長度下，隻是每個元素更大 。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節
  。這兩種方案在某些場景下都能用，公開 API 的輸入會先被驗證，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。然後用普通的引用偏移往後移動。