托管數建超大在 組 上構

有了這些塊類型之後，构建64 位係統上可以支持更大的托管範圍。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。上数组

[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);}

nint offset = (nint)5_000_000_000L;Span<byte> window = buffer.AsSpan(offset, length: 4096);

nint length = (nint)10_000_000_000L;BigArray<byte> buffer = new(length);

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

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

[InlineArray(2)]struct ElementChunk2<T>{     private T _first;}[InlineArray(3)]struct ElementChunk3<T>{     private T _first;}

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(),    };}

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

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];}

基本思路

在 .NET 中 ，從零開始的數組是 SZArray ，

.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 。以及是否固定 。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，反射和基礎類庫等很多地方。但能不能分配到需要的內存更重要。可以寫成 ：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，準確地說是 127.998 TiB。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。

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 。最常見的一維、剩下的部分都空著。大約是 Array.MaxLength * 8191 。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，再通過嵌套組合出其他長度。每個分支都返回一個靜態 lambda，它們記錄底層托管數組、

麻煩的地方在於 ，int[1024]存 4096 字節。最大長度會隨塊大小增長。ToArray 
、

BigArray

有了塊機製之後 ，我們還會用 Span<T>、

寫在最後

有了 BigArray<T>、不需要清零的性能敏感場景 ，而元素又內聯保存在這些塊裏，BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，拿到第一個數據引用之後，更大的長度下 ，可以存下 40 億個字節。

通常不太建議隨意使用巨大的數組
。機器仍然需要真的有足夠的內存 。最後隻調用這個分配器。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，它仍然是一個托管數組對象
 ，仍然可能碰到非法組合。確定這個值之後，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。公開 API 的輸入會先被驗證，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。ToBigArray以及隻讀轉換 。

這就是 BigArray<T>的核心思路。因為它包含 65,535 個 object 引用，

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
 ，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。byte能使用的最大塊長度，

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 
。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、但代價也很明顯。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
。交錯數組避開了非托管內存
，但本質上仍然是一組數組 。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。結果就是拋出 TypeLoadException
，並且仍然用一個索引訪問。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，而且它更適合非托管數據。隻是查看由別的對象保持存活的內存，

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、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，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  ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度
，對 byte來說 ，它不擁有內存，

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，byte[1024]存 1024 字節 ，就會碰到 GC
、

源代碼已開源在 GitHub，這樣一來，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。它會計算塊長度，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、因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，和 Span<T>一樣
，就可以容納四個邏輯上的 T。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。這裏當然說的是理論上限，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
  ，

  [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，則可以盡量接近直接數組訪問的成本。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 ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。如果連內存都分配不出來，它可能是 ElementChunk1<T>[]，nint本身無法表示更大的索引空間，

  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。比如邏輯長度是 10,000
  ，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，像 string、但它不會在 object路徑上被加載。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查
  。訪問時要處理跨段邊界，

  更進一步，object這樣的引用類型就不適合這個方向。GC、

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，你需要管理每個內部數組的大小，用戶不需要手動釋放內存。它的長度受 int大小限製
  。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了
  。

  構建塊類型

  最直觀的實現，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。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。數組 、

  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。長度是 nint ，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。

  手動管理內存很容易出錯  ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，搜索、

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，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，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會，性能很重要，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。隻是每個元素更大。

  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。

• 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製 ，

  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 ，

  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。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，對某個 T來說 ，並把邏輯長度記錄為 nint。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，對於 byte，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，