在 組托管數建超大 上構

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。

從 .NET 8 開始，集合、int[1024]存 4096 字節 。大約是 Array.MaxLength * 8191。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，不需要清零的性能敏感場景 ，分配選中的塊數組，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。

.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 。仍然可能碰到非法組合 。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。公開 API 的輸入會先被驗證
 ，

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。對於 object，因為它包含 65,535 個 object 引用，就會碰到 GC 、並把邏輯長度記錄為 nint 。以及是否固定
。可以存下 40 億個字節。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
，長度是 nint，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
，尤其是在大分配的情況下 。會在到達這條路徑之前失敗 。不同的是，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型
 。最後隻調用這個分配器。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，

源代碼已開源在 GitHub，也可能是一個塊類型。更大的長度下，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，它的長度受 int大小限製
。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  ，如果 index、

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 ，真正的邏輯終點由 _length記錄。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。ToArray
、而不用把每個字段都手寫出來 。數組、JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，並且仍然用一個索引訪問
。

手動管理內存很容易出錯，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。因此不能依賴運行時代碼生成或反射
。拿到第一個數據引用之後，

[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，你需要管理每個內部數組的大小，它不擁有內存 ，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，索引也使用 nint。

[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 。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 。每個分支都返回一個靜態 lambda，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，

有了這些塊類型之後，

在 64 位運行時上 ，塊長度是 ：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。然後用普通的引用偏移往後移動。對某個 T來說，

分配器來自一個針對塊長度的 switch。但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，object這樣的引用類型就不適合這個方向
。JIT 、一個引用是 8 字節，它們的數組長度相同 ，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、

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 。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。允許你取出普通的 Span<T>片段。而且它更適合非托管數據。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<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  ，因為這件事會牽涉到運行時、大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。交錯數組避開了非托管內存，64 位係統上可以支持更大的範圍。底層仍然是一個托管數組，這樣的類型不能被加載 ，和 Span<T>一樣  ，GC 、最後一個塊隻用到一部分，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。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
 ，剩下的部分都空著 。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊
 。ToBigArray以及隻讀轉換。但本質上仍然是一組數組。它仍然是一個托管數組對象，則可以盡量接近直接數組訪問的成本。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度
，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，它會讓 GC 壓力更大，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，它們記錄底層托管數組、Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。也就是 6 個邏輯 T。但能不能分配到需要的內存更重要。trim、隻是每個元素變成了一小塊
。機器仍然需要真的有足夠的內存。再通過嵌套組合出其他長度 。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，

通常不太建議隨意使用巨大的數組 。塊結構體本身也可以組合
 。數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，但代價也很明顯
。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，最常見的一維、如果連內存都分配不出來 ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。結果就是拋出 TypeLoadException，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。複製、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。但仍然不少。它給你一個大索引視圖，隻是每個元素更大。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。

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 。跨過一個塊到下一個塊  ，

但這個限製針對的是數組的元素個數  ，底層是一個托管數組，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素
。準確地說是 127.998 TiB。length 或 slice 超出合法範圍 ，

寫在最後

有了 BigArray<T>、再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。想要直接放寬這個限製 ，類型係統、ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。後麵的優化也談不上。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。

在 .NET 裏，

構建塊類型

最直觀的實現，但有些場景確實需要大塊連續數據，這樣一來 ，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。

[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，split、ReadOnlySpan<T> 、如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
。

於是我決定自己做一個方案
：

• 能容納超過 20 億個元素，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，對用戶來說，

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

  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 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。搜索、

  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、隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化
  ，但它隻藏在實現內部 。像 string、但非常小 。而塊大小是 4,095  ，byte[1024]存 1024 字節 ，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。從零開始的數組是 SZArray ，對於 byte ，可以寫成：

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

  因為 ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，BigArray<T>本身可以保持得很小。

  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 ，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，但它不會在 object路徑上被加載。

  更進一步 ，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，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。

  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 ，

  BigArray

  有了塊機製之後
  ，