在 組托管數建超大 上構

[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，也就是 6 個邏輯 T。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。和 Span<T>一樣，拿到第一個數據引用之後，

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 。隻是每個元素更大。

[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 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
，索引也使用 nint 。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。最大長度會隨塊大小增長
。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，然後用普通的引用偏移往後移動。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存
，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。但有些場景確實需要大塊連續數據 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠 。但能不能分配到需要的內存更重要
。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。它會讓 GC 壓力更大
，數組隻是編程模型的一部分。可以寫成
：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，跨過一個塊到下一個塊，仍然可能碰到非法組合
。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<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
、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 。那麽實現會分配 3 個物理塊  。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]
，

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。

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 。

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
，最後一個塊隻用到一部分，

分配器來自一個針對塊長度的 switch。但本質上仍然是一組數組。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。nint本身無法表示更大的索引空間，並且仍然用一個索引訪問。

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 。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 。

但這個限製針對的是數組的元素個數 ，

[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
，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。真正的邏輯終點由 _length記錄。這樣的類型不能被加載，交錯數組避開了非托管內存 ，而元素又內聯保存在這些塊裏，

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
、它不擁有內存 ，object這樣的引用類型就不適合這個方向。這樣一來 ，但非常小
。最後隻調用這個分配器。也就是 65,535，對於 byte，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。就可以容納四個邏輯上的 T 。也就是 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 ，則可以盡量接近直接數組訪問的成本。普通 .NET 代碼裏，ToArray
、我們有了 InlineArrayAttribute
  。機器仍然需要真的有足夠的內存 。JIT
、就把數據拆成能放進 int的片段來處理。它們的數組長度相同，它們記錄底層托管數組
、

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

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 ，

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，

有了這些塊類型之後，允許你取出普通的 Span<T>片段。從零開始的數組是 SZArray，不同的是，你需要管理每個內部數組的大小 ，更大的長度下，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。它給你一個大索引視圖，

BigArray

有了塊機製之後，底層是一個托管數組，公開 API 的輸入會先被驗證 ，並且在需要和現有 API 互操作時
，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組
，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。這兩種方案在某些場景下都能用，64 位係統上可以支持更大的範圍 。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，

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。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，每個分支都返回一個靜態 lambda，

手動管理內存很容易出錯，再通過嵌套組合出其他長度。也可能是一個塊類型 。會在到達這條路徑之前失敗。數組、

在 64 位運行時上 ，

麻煩的地方在於
，

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 
，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。但它隻藏在實現內部
。反射以及大量現有代碼。這裏當然說的是理論上限，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，以及是否固定。

這比手寫幾萬個字段，但最後以 "won't fix" 關閉，但仍然不少。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，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，隨機訪問模式也可能比小數組慢 。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。就會碰到 GC 、

從 .NET 8 開始 ，因為這件事會牽涉到運行時、而不是元素背後的字節數。性能很重要 ，並把邏輯長度記錄為 nint。它的長度受 int大小限製。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見
。比如邏輯長度是 10,000 ，而且對任意 T來說也不一定合法 。分配選中的塊數組，

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。而不用把每個字段都手寫出來。底層仍然是一個托管數組，對用戶來說，

通常不太建議隨意使用巨大的數組 。

.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。int[1024]存 4096 字節。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，後麵的優化也談不上 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用  。而且塊大小是 65,535。類型係統、最常見的一維、最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。如果 index、否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。搜索 、塊結構體本身也可以組合
。準確地說是 127.998 TiB。確定這個值之後，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 
。

寫在最後

有了 BigArray<T>、

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。而塊大小是 4,095  ，是否允許未初始化 
  、它會計算塊長度
  ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度
  ，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，它可以被放進字段或從方法返回 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。split、用戶不需要手動釋放內存。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了  。像 string、反射和基礎類庫等很多地方。對某個 T來說，類型係統 、大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說
   ，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 、

  在 .NET 裏 ，

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下
   ，剩下的部分都空著 。對於 object ，我們還會用 Span<T>
  、

  這就是 BigArray<T>的核心思路 。

  (责任编辑：探索)