托管數建超大在 組 上構

於是上数组我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，大約是构建 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，像 string、托管機器仍然需要真的上数组有足夠的內存 。我們就可以用接近普通數組的构建方式處理超大的連續托管內存。而不是托管元素背後的字節數。

  最大長度則跟架構有關：

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

  在 32 位運行時上，但它不會在 object路徑上被加載。构建用戶不需要手動釋放內存。托管因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的上数组引用，如果隻是构建想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
   。但最重要的托管是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，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 ，是否允許未初始化
  、ToBigArray以及隻讀轉換。ToArray 、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，剩下的部分都空著。

  麻煩的地方在於
  ，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。可以存下 40 億個字節。

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。但非常小。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。並把邏輯長度記錄為 nint。底層仍然是一個托管數組，數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，這兩種方案在某些場景下都能用，int[1024]存 4096 字節。反射以及大量現有代碼 。但它隻藏在實現內部 。byte[1024]存 1024 字節，GC、但最後以 "won't fix" 關閉，確定這個值之後 ，對於 object ，交錯數組避開了非托管內存，類型係統、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 。它仍然是一個托管數組對象，

  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。

  構建塊類型

  最直觀的實現
  ，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 ，

• 支持 NativeAOT ，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。仍然可能碰到非法組合 。

  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
  、我們還會用 Span<T>、隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存
  ，以及是否固定。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，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 ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。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[]。普通 .NET 代碼裏，從零開始的數組是 SZArray，

  源代碼已開源在 GitHub ，長度是 nint
  ，對 byte來說 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]  ，就可以容納四個邏輯上的 T。

  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。這裏當然說的是理論上限，

  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。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。一個引用是 8 字節，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。

  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 ，

  但這個限製針對的是數組的元素個數 
  ，不需要清零的性能敏感場景 ，它們的數組長度相同，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，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，準確地說是 127.998 TiB。然後實現使用引用偏移 ，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型
  ，它可能是 ElementChunk1<T>[]，而塊大小是 4,095 ，分配選中的塊數組 ，就會碰到 GC、ReadOnlySpan<T>、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 、trim、但有些場景確實需要大塊連續數據
  ，這樣的類型不能被加載，它的長度受 int大小限製 。但能不能分配到需要的內存更重要。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。類型係統、

  手動管理內存很容易出錯 ，對於 byte，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。搜索、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 、它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
  。索引也使用 nint
  。但仍然不少。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，也就是 65,535 ，和 Span<T>一樣，集合、

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。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。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，塊結構體本身也可以組合。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch
  。

  [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 ，對某個 T來說，

  這比手寫幾萬個字段  ，並且仍然用一個索引訪問。

  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
  。反射和基礎類庫等很多地方 。

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。而且對任意 T來說也不一定合法。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。

  .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。訪問時要處理跨段邊界 ，想要直接放寬這個限製
  ，

  [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，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。也可能是 ElementChunk8191<T>[]
  ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，允許你取出普通的 Span<T>片段 。它可以被放進字段或從方法返回 ，隻是每個元素更大。可以寫成 ：

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

  因為
  ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，複製 
  、

基本思路

在 .NET 中，你需要管理每個內部數組的大小，這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，也可能是一個塊類型。公開 API 的輸入會先被驗證 ，就把數據拆成能放進 int的片段來處理
。每個分支都返回一個靜態 lambda
，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array 
：實際運行時類型取決於 T 。

[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。它會讓 GC 壓力更大 ，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
 ，結果就是拋出 TypeLoadException，最常見的一維  、length 或 slice 超出合法範圍，JIT、也就是 6 個邏輯 T。再通過嵌套組合出其他長度。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。隻是查看由別的對象保持存活的內存，比如邏輯長度是 10,000
，

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

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

public readonly ref struct BigSpan<T>{     internal readonly ref T _first;    internal readonly nint _length;}

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];}

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