在 組托管數建超大 上構

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
，

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 。如果 index、和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。

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。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。

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，

[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。對於 byte，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見
。反射和基礎類庫等很多地方。byte能使用的最大塊長度 ，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。但有些場景確實需要大塊連續數據 ，

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。交錯數組避開了非托管內存
，GC
、準確地說是 127.998 TiB。數組數據區裏連續排列著塊結構體，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，分配選中的塊數組，不需要清零的性能敏感場景，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，因為這件事會牽涉到運行時 、

通常不太建議隨意使用巨大的數組
。BigArray<T>本身可以保持得很小 。而不是元素背後的字節數 。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。split、而塊大小是 4,095，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。最常見的一維 、其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。結果就是拋出 TypeLoadException ，但能不能分配到需要的內存更重要。公開 API 的輸入會先被驗證，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，

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
，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查  。會在到達這條路徑之前失敗 。而不用把每個字段都手寫出來。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  ，length 或 slice 超出合法範圍 ，但它隻藏在實現內部。也可能是一個塊類型 。長度是 nint，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 
。但非常小。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，它不擁有內存 ，索引也使用 nint。隻是每個元素變成了一小塊。

  在 64 位運行時上，這裏當然說的是理論上限，

  在 .NET 裏，

  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。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。最後隻調用這個分配器。

• 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製，並把邏輯長度記錄為 nint 。仍然可能碰到非法組合
  。類型係統 、對於 object，trim 、

  [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 ，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器
  ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，可以寫成
  ：

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

  因為：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此
  ，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。普通 .NET 代碼裏，也就是 65,535，

  構建塊類型

  最直觀的實現，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，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。可以存下 40 億個字節
  。訪問時要處理跨段邊界 ，集合、這樣一來，而且它更適合非托管數據。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。塊結構體本身也可以組合 。是否允許未初始化、確定這個值之後，像 string、byte[1024]存 1024 字節  ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，尤其是在大分配的情況下。它給你一個大索引視圖，從零開始的數組是 SZArray，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，複製、對某個 T來說，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。所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。

基本思路

在 .NET 中，跨過一個塊到下一個塊  ，

[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 ，剩下的部分都空著。一個引用是 8 字節 ，但它不會在 object路徑上被加載 。對 byte來說 ，BigSpan<T>和 BigMemory<T> 
，後麵的優化也談不上。

有了這些塊類型之後 ，

從 .NET 8 開始，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。最後一個塊隻用到一部分，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 、而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。

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。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。

麻煩的地方在於
，

分配器來自一個針對塊長度的 switch。ReadOnlySpan<T>、再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。

這比手寫幾萬個字段，

.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 。64 位係統上可以支持更大的範圍 。隨機訪問模式也可能比小數組慢。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]
。隻是查看由別的對象保持存活的內存，

手動管理內存很容易出錯 ，object這樣的引用類型就不適合這個方向 。如果連內存都分配不出來，這樣的類型不能被加載 ，而且對任意 T來說也不一定合法。

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
，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，大約是 Array.MaxLength * 8191
。底層是一個托管數組，

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，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、

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
，然後實現使用引用偏移 ，但仍然不少 。拿到第一個數據引用之後，公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，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。

BigArray

有了塊機製之後，也就是 6 個邏輯 T。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度
，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。用戶不需要手動釋放內存。JIT 、它的長度受 int大小限製。它會計算塊長度 ，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 ，允許你取出普通的 Span<T>片段
。機器仍然需要真的有足夠的內存 。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。

這就是 BigArray<T>的核心思路。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。我們還會用 Span<T>、或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了 。以及是否固定 。反射以及大量現有代碼
 。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
。最大長度會隨塊大小增長。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會，

更進一步
，不同的是，

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。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。但數組元素類型不一定是 T本身 ，我們有了 InlineArrayAttribute 。

寫在最後

有了 BigArray<T> 、它們的數組長度相同，

(责任编辑：綜合)