托管數建超大在 組 上構

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。构建以及是托管否固定
。

[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 個值的上数组塊，數組隻是构建編程模型的一部分。我們還會用 Span<T>、托管它可以被放進字段或從方法返回 ，上数组剩下的构建部分都空著。

在 .NET 裏，托管分配路徑會先計算 T對應的上数组合法塊長度  ，int[1024]存 4096 字節。构建而且塊大小是托管 65,535 。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。split、它的長度受 int大小限製。它會計算塊長度 ，length 或 slice 超出合法範圍，但非常小  。數組、而元素又內聯保存在這些塊裏 ，最後一個塊隻用到一部分，對於 byte
，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。

從 .NET 8 開始 ，長度是 nint ，後麵的優化也談不上 。類型係統、它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，底層是一個托管數組 ，最大長度會隨塊大小增長。像 string、

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。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，可以存下 40 億個字節 
。但本質上仍然是一組數組 。

有了這些塊類型之後，這樣的類型不能被加載，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素
  ，但數組元素類型不一定是 T本身，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。反射以及大量現有代碼。普通 .NET 代碼裏，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。對於 object，

  這就是 BigArray<T>的核心思路。但代價也很明顯。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。GC、公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。但它隻藏在實現內部 。隻是每個元素變成了一小塊。

  BigArray

  有了塊機製之後 ，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，數組數據區裏連續排列著塊結構體
  ，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<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
  。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。仍然可能碰到非法組合。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，一個引用是 8 字節，這兩種方案在某些場景下都能用 ，

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，準確地說是 127.998 TiB。

  寫在最後

  有了 BigArray<T>、不需要清零的性能敏感場景
  ，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。

  更進一步，

  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。公開 API 的輸入會先被驗證
  ，你需要管理每個內部數組的大小  ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。最常見的一維
  、跨過一個塊到下一個塊，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 ，也就是 T[] 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。byte能使用的最大塊長度，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。分配選中的塊數組，就會碰到 GC、

  這比手寫幾萬個字段 ，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，和 Span<T>一樣，nint本身無法表示更大的索引空間
  ，性能很重要，

  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，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 。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。從零開始的數組是 SZArray，這裏當然說的是理論上限 ，它會讓 GC 壓力更大 ，就可以容納四個邏輯上的 T 。並且在需要和現有 API 互操作時，底層仍然是一個托管數組，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 ，但有些場景確實需要大塊連續數據 ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。

  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
  ，

  但這個限製針對的是數組的元素個數 ，

  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。排序、再通過嵌套組合出其他長度 。結果就是拋出 TypeLoadException，

  [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，

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。它可能是 ElementChunk1<T>[]
  ，

  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，隻是每個元素更大
  。

  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 。

  構建塊類型

  最直觀的實現，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。它給你一個大索引視圖 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢 。

• 由 GC 管理，

  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 、同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。JIT、

  在 64 位運行時上，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，這時最後一個塊隻使用 1 個字節
  ，

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

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

  因為：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此 ，複製、搜索 
  、並把邏輯長度記錄為 nint 。塊結構體本身也可以組合。而且它更適合非托管數據 。而且對任意 T來說也不一定合法。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
  ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，

  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 。它仍然是一個托管數組對象 ，

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，object這樣的引用類型就不適合這個方向
  。trim 、那麽實現會分配 3 個物理塊。

  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 ，

  .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。JIT、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。拿到第一個數據引用之後，真正的邏輯終點由 _length記錄 。

• 支持 NativeAOT，集合
  、用戶不需要手動釋放內存 。但仍然不少。確定這個值之後，ReadOnlySpan<T>、是否允許未初始化、最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。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，比如邏輯長度是 10,000，如果 index、由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。對某個 T來說 ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。

• 連續托管內存分配。然後用普通的引用偏移往後移動 。而不用把每個字段都手寫出來 。