支持 NativeAOT
，托管類型係統、最大長度會隨塊大小增長。而不用把每個字段都手寫出來
。並把邏輯長度記錄為 nint
。反射和基礎類庫等很多地方 。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。公開 API 的輸入會先被驗證，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。真正的邏輯終點由 _length記錄 。以及是否固定 。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[1024]存 1024 字節
，ToBigArray以及隻讀轉換 。塊長度是 ：
65535 / Unsafe.SizeOf<T>()
所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。大約是 Array.MaxLength * 8191 。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、BigArray<T>本身可以保持得很小。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。64 位係統上可以支持更大的範圍 。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。
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 。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。
常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，但仍然不少。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。訪問時要處理跨段邊界
，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，如果 index 、
手動管理內存很容易出錯 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]
，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，nint本身無法表示更大的索引空間
，因為它包含 65,535 個 object 引用，
通常不太建議隨意使用巨大的數組 。確定這個值之後 ，
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 、它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。
麻煩的地方在於 ，分配選中的塊數組
，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素
，這裏當然說的是理論上限 ，
構建塊類型
最直觀的實現 ，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。
這就是 BigArray<T>的核心思路 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，
但這個限製針對的是數組的元素個數 ，普通 .NET 代碼裏
，然後用普通的引用偏移往後移動 。剩下的部分都空著。
[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
，可以存下 40 億個字節 。排序 、
BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。最後隻調用這個分配器 。但有些場景確實需要大塊連續數據 ，像 string
、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、而不是元素背後的字節數 。它的長度受 int大小限製 。
[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 T[] 。這樣一來 ，後麵的優化也談不上
。而且對任意 T來說也不一定合法 。就可以容納四個邏輯上的 T 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，對於 byte
，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，
這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。也就是 65,535，拿到第一個數據引用之後，長度是 nint ，它們的數組長度相同 ，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，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 。
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，但它隻藏在實現內部。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 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。因為這件事會牽涉到運行時
、因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。但數組元素類型不一定是 T本身 ，但代價也很明顯 。split
、
這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。類型係統 、
- 能容納超過 20 億個元素 ，然後實現使用引用偏移，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。trim、
BigSpan 和 BigMemory
隻有持有存儲的類型還不夠 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 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。集合
、但最後以 "won't fix" 關閉 ，JIT 、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 。一個引用是 8 字節 ，它會讓 GC 壓力更大 ，這樣的類型不能被加載 ，就會碰到 GC、
它隻保存兩個東西：
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;
普通長度下
，從零開始的數組是 SZArray ，用戶不需要手動釋放內存 。對用戶來說 ，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同
。
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
。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。並且仍然用一個索引訪問。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。
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
，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 。
類型加載
現在假設 T是 64 位運行時上的 object
。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。和 Span<T>一樣 ，而元素又內聯保存在這些塊裏
，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。
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。因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。結果就是拋出 TypeLoadException ，
有了這些塊類型之後
，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>
。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏
，
源代碼已開源在 GitHub ，
更進一步，會在到達這條路徑之前失敗。它可以被放進字段或從方法返回，
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。最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>
。就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。你需要管理每個內部數組的大小 ，
- 索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製 ，length 或 slice 超出合法範圍，
ToArray 、所以合法的塊長度是 8,191 ：65535 / 8 = 8191
這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。最後一個塊隻用到一部分 ，更大的長度下，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，對某個 T來說 ，尤其是在大分配的情況下 。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。
- 連續托管內存分配。如果連內存都分配不出來，它們的
Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
。它可能是 ElementChunk1<T>[]，比如邏輯長度是 10,000 ，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小
。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，性能很重要 ，JIT、這兩種方案在某些場景下都能用 ，這比手寫幾萬個字段 ，隻是每個元素變成了一小塊
。每個分支都返回一個靜態 lambda ，想要直接放寬這個限製
，交錯數組避開了非托管內存
，而且它更適合非托管數據 。
在 64 位運行時上 ，底層仍然是一個托管數組 ，而且塊大小是 65,535。隻是查看由別的對象保持存活的內存，object這樣的引用類型就不適合這個方向。也就是 6 個邏輯 T 。但非常小
。它仍然是一個托管數組對象 ，
BigArray
有了塊機製之後，不同的是 ，
分配器來自一個針對塊長度的 switch。它不擁有內存 ，最常見的一維 、索引也使用 nint 。隻是每個元素更大。它會計算塊長度
，我們有了 InlineArrayAttribute。數組
、再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T
。複製
、所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。對 byte來說 ，BigSpan<T>和 BigMemory<T>
，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，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 。搜索 、
struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}
一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，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
。準確地說是 127.998 TiB 。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，
.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
。
- 由 GC 管理 ，它給你一個大索引視圖，
- 支持
string和 object之類的引用類型 。而塊大小是 4,095 ，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 ，
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。但本質上仍然是一組數組 。我們還會用 Span<T> 、也可能是一個塊類型。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，
寫在最後
有了 BigArray<T> 、隨機訪問模式也可能比小數組慢 。允許你取出普通的 Span<T>片段 。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，int[1024]存 4096 字節 。跨過一個塊到下一個塊
，GC 、
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
。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，底層是一個托管數組，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 ，是否允許未初始化 、它們記錄底層托管數組 、實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，
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