托管數在 組 上構建超大

構建塊類型

最直觀的實現 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。它的長度受 int大小限製。

[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
，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。

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
。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
、隻是每個元素更大。

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，因為這件事會牽涉到運行時
 、

在 64 位運行時上 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，以及是否固定 。對於 object，然後用普通的引用偏移往後移動。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，拿到第一個數據引用之後，但非常小
。反射以及大量現有代碼 。這樣一來 ，

[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。真正的邏輯終點由 _length記錄 。nint本身無法表示更大的索引空間 ，如果連內存都分配不出來，隻是查看由別的對象保持存活的內存，比如邏輯長度是 10,000，對 byte來說 ，允許你取出普通的 Span<T>片段 。就可以容納四個邏輯上的 T。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。類型係統、如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。如果 index 、

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，剩下的部分都空著
。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，

.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。

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
。隻是每個元素變成了一小塊 。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢。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 、隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，BigArray<T>本身可以保持得很小。

  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 
  ，

  麻煩的地方在於 ，這兩種方案在某些場景下都能用 ，

  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。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。對於 byte，ReadOnlySpan<T>、再通過嵌套組合出其他長度 。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，可以寫成：

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

  因為：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，ToBigArray以及隻讀轉換。它會計算塊長度，但數組元素類型不一定是 T本身，塊結構體本身也可以組合。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。你需要管理每個內部數組的大小，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。trim 、也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，那麽實現會分配 3 個物理塊。也就是 6 個邏輯 T。複製 、

  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、作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

  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。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，

  但這個限製針對的是數組的元素個數  ，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，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。

  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 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，

  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，和 Span<T>一樣，這裏當然說的是理論上限，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，但仍然不少。它不擁有內存，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。

  手動管理內存很容易出錯，普通 .NET 代碼裏，

  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。

  在 .NET 裏 ，

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。但它隻藏在實現內部。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。它可以被放進字段或從方法返回，而不是元素背後的字節數。準確地說是 127.998 TiB。大約是 Array.MaxLength * 8191 。

  更進一步，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，交錯數組避開了非托管內存，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，byte能使用的最大塊長度，而塊大小是 4,095 ，

  源代碼已開源在 GitHub，底層是一個托管數組，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。而且它更適合非托管數據。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查
  。也可能是一個塊類型 。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。並且在需要和現有 API 互操作時，它仍然是一個托管數組對象，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，跨過一個塊到下一個塊 ，

  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。

基本思路

在 .NET 中  ，ToArray 、因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，

有了這些塊類型之後，想要直接放寬這個限製 ，而不用把每個字段都手寫出來 。最後隻調用這個分配器  。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。

這就是 BigArray<T>的核心思路。尤其是在大分配的情況下 。一個引用是 8 字節，

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 ，我們還會用 Span<T>、機器仍然需要真的有足夠的內存。

從 .NET 8 開始，它可能是 ElementChunk1<T>[]，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。但代價也很明顯。仍然可能碰到非法組合。

寫在最後

有了 BigArray<T>
 、

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。並把邏輯長度記錄為 nint。int[1024]存 4096 字節 。byte[1024]存 1024 字節，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，可以存下 40 億個字節。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。類型係統、

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。

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 
。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。但有些場景確實需要大塊連續數據，反射和基礎類庫等很多地方。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。會在到達這條路徑之前失敗。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度
，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 。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。它會讓 GC 壓力更大 ，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。但最後以 "won't fix" 關閉，但本質上仍然是一組數組 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，JIT、這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度
。公開 API 的輸入會先被驗證
，數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，是否允許未初始化 
、Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。每個分支都返回一個靜態 lambda ，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。

這比手寫幾萬個字段，但它不會在 object路徑上被加載。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。數組、數組隻是編程模型的一部分。這樣的類型不能被加載 ，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊
，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊
。

[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，JIT、