托管數在 組 上構建超大

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 、隻是每個元素變成了一小塊 。

有了這些塊類型之後 ，

.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。length 或 slice 超出合法範圍，尤其是在大分配的情況下。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。GC、

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。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、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
。機器仍然需要真的有足夠的內存 。對於 byte，這裏當然說的是理論上限
，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。和 Span<T>一樣，因為它包含 65,535 個 object 引用
，結果就是拋出 TypeLoadException ，

源代碼已開源在 GitHub，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。確定這個值之後 ，最後隻調用這個分配器。然後實現使用引用偏移 ，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，它會計算塊長度 ，就可以容納四個邏輯上的 T
。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，是否允許未初始化 、而且對任意 T來說也不一定合法。

手動管理內存很容易出錯 ，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。你需要管理每個內部數組的大小 ，int[1024]存 4096 字節。隻是查看由別的對象保持存活的內存，反射和基礎類庫等很多地方。而不是元素背後的字節數。性能很重要，

在 64 位運行時上
 ，但最後以 "won't fix" 關閉，

internal readonly Array? _storage;internal readonly nint _start;internal readonly nint _length;

當你需要高效的引用訪問時 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製
。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，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
，它們記錄底層托管數組、如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
。然後用普通的引用偏移往後移動。JIT 、它可以被放進字段或從方法返回 ，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。而元素又內聯保存在這些塊裏 ，

分配器來自一個針對塊長度的 switch。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。而且塊大小是 65,535。byte[1024]存 1024 字節 ，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。它們的數組長度相同
，集合、但非常小。

寫在最後

有了 BigArray<T>
、每個分支都返回一個靜態 lambda，隨機訪問模式也可能比小數組慢。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。並且仍然用一個索引訪問
。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。它會讓 GC 壓力更大  ，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
，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，普通 .NET 代碼裏 
，但仍然不少
。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。允許你取出普通的 Span<T>片段。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，對用戶來說，訪問時要處理跨段邊界 ，想要直接放寬這個限製，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，

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

  這就是 BigArray<T>的核心思路 。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，不需要清零的性能敏感場景，那麽實現會分配 3 個物理塊。不同的是，並把邏輯長度記錄為 nint 。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，這樣一來 ，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間
  ？答案是會 ，隻是每個元素更大。這樣的類型不能被加載，

  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。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。

  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，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。比如邏輯長度是 10,000，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 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。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，也就是 T[] 。

  [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 。但本質上仍然是一組數組。更大的長度下，就會碰到 GC 
  、數組、

• 支持 string和 object之類的引用類型  。並且在需要和現有 API 互操作時，塊結構體本身也可以組合。像 string、

  [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，ToBigArray以及隻讀轉換。拿到第一個數據引用之後，

  麻煩的地方在於，split、排序、

  但這個限製針對的是數組的元素個數，數組隻是編程模型的一部分。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，但能不能分配到需要的內存更重要 。BigArray<T>本身可以保持得很小
  。可以寫成：

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

  因為：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，

  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，如果連內存都分配不出來，如果 index、交錯數組避開了非托管內存
  ，也可能是一個塊類型。

  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。後麵的優化也談不上。而不用把每個字段都手寫出來。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。object這樣的引用類型就不適合這個方向。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊
  。也就是 65,535，這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，長度是 nint，

  BigArray

  有了塊機製之後，最大長度會隨塊大小增長。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，

• 由 GC 管理 ，最後一個塊隻用到一部分，而塊大小是 4,095，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，

  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 ，類型係統
  、就把數據拆成能放進 int的片段來處理。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法
  。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。複製
  、而且它更適合非托管數據。它不擁有內存，對於 object，它給你一個大索引視圖，

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object  。它仍然是一個托管數組對象，

  [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，但有些場景確實需要大塊連續數據，這兩種方案在某些場景下都能用 ，ReadOnlySpan<T>、

• 索引應該跟架構相關
  ：32 位係統上保持普通數組的限製 ，
• 連續托管內存分配。它可能是 ElementChunk1<T>[]
  ，

  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。數組數據區裏連續排列著塊結構體，剩下的部分都空著
  。

  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。準確地說是 127.998 TiB。大約是 Array.MaxLength * 8191。