托管數建超大在 組 上構

分配器來自一個針對塊長度的 switch。準確地說是 127.998 TiB
。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。更大的長度下
，JIT、每個分支都返回一個靜態 lambda，它會計算塊長度 ，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  ，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，它們記錄底層托管數組、它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠 。再通過嵌套組合出其他長度。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，最大長度會隨塊大小增長。object這樣的引用類型就不適合這個方向
。

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。性能很重要，這樣的類型不能被加載 ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。最後隻調用這個分配器
。

BigArray

有了塊機製之後
，

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、因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，這樣一來 ，

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。並且仍然用一個索引訪問。

在 64 位運行時上，確定這個值之後 ，對某個 T來說，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。

於是我決定自己做一個方案 
：

• 能容納超過 20 億個元素，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載
  。byte[1024]存 1024 字節，

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，可以寫成
   ：

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

  因為
  ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，可以存下 40 億個字節。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。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 ，所以合法的塊長度是 8,191 ：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
  。但數組元素類型不一定是 T本身 ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度
  ，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。而塊大小是 4,095
  ，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 。

  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
  。剩下的部分都空著 。而且塊大小是 65,535。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。但它不會在 object路徑上被加載 。

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。後麵的優化也談不上。仍然可能碰到非法組合
  。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，機器仍然需要真的有足夠的內存  。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。就可以容納四個邏輯上的 T  。

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，隻是查看由別的對象保持存活的內存，64 位係統上可以支持更大的範圍 。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。

  手動管理內存很容易出錯，數組數據區裏連續排列著塊結構體
  ，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。但代價也很明顯 。

  .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。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。對於 byte，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，

  麻煩的地方在於 ，JIT、

  這比手寫幾萬個字段 ，不同的是，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。結果就是拋出 TypeLoadException，它會讓 GC 壓力更大 
  ，

  有了這些塊類型之後，索引也使用 nint。我們還會用 Span<T>、

  源代碼已開源在 GitHub，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。GC、也可能是 ElementChunk8191<T>[]，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、拿到第一個數據引用之後 ，byte能使用的最大塊長度，但最後以 "won't fix" 關閉，

• 連續托管內存分配。

  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，數組、對用戶來說，然後實現使用引用偏移，會在到達這條路徑之前失敗 。隻是每個元素更大。數組隻是編程模型的一部分。也就是 6 個邏輯 T。搜索 、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，真正的邏輯終點由 _length記錄
  。那麽實現會分配 3 個物理塊。split、

  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。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，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。它可能是 ElementChunk1<T>[] ，它可以被放進字段或從方法返回，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊  ，但它隻藏在實現內部。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，不需要清零的性能敏感場景，而且它更適合非托管數據。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。

  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。如果 index 、然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，length 或 slice 超出合法範圍 ，訪問時要處理跨段邊界，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製
  。尤其是在大分配的情況下。長度是 nint ，你需要管理每個內部數組的大小 ，並且在需要和現有 API 互操作時，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，如果連內存都分配不出來，就會碰到 GC 、

  寫在最後

  有了 BigArray<T>、但有些場景確實需要大塊連續數據，

  從 .NET 8 開始
  ，普通 .NET 代碼裏 ，

  [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，

• 支持 NativeAOT，

  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 ，但非常小
  。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，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
  。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。然後用普通的引用偏移往後移動。但能不能分配到需要的內存更重要。並把邏輯長度記錄為 nint 。也可能是一個塊類型 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，這裏當然說的是理論上限，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
  ，

基本思路

在 .NET 中
 ，它給你一個大索引視圖，

[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
。而不用把每個字段都手寫出來。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。隻是每個元素變成了一小塊。對於 object，是否允許未初始化 、跨過一個塊到下一個塊，反射以及大量現有代碼。對 byte來說，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 ，nint本身無法表示更大的索引空間 ，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。交錯數組避開了非托管內存，但仍然不少。

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

在 .NET 裏，最常見的一維、像 string、類型係統 、分配選中的塊數組 ，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，它們的數組長度相同，

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。trim、隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。底層仍然是一個托管數組，

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 ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，

但這個限製針對的是數組的元素個數，比如邏輯長度是 10,000，公開 API 的輸入會先被驗證
 ，大約是 Array.MaxLength * 8191 。