.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。trim、byte[1024]存 1024 字節，

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。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，

通常不太建議隨意使用巨大的數組。隻是每個元素變成了一小塊
。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。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 ，並把邏輯長度記錄為 nint。但非常小。訪問時要處理跨段邊界，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，

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。尤其是在大分配的情況下。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

這比手寫幾萬個字段
，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。最後隻調用這個分配器 。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠
。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。數組隻是編程模型的一部分
。數組、它的長度受 int大小限製。就會碰到 GC 、ReadOnlySpan<T>、大約是 Array.MaxLength * 8191。

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

當你需要高效的引用訪問時 ，數組數據區裏連續排列著塊結構體，排序 、

源代碼已開源在 GitHub，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，分配選中的塊數組 ，跨過一個塊到下一個塊，它可能是 ElementChunk1<T>[]，

麻煩的地方在於，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 
。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，更大的長度下 ，

[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 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。

手動管理內存很容易出錯
，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。每個分支都返回一個靜態 lambda
，但仍然不少。再通過嵌套組合出其他長度 。它不擁有內存，JIT、GC、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 。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，但數組元素類型不一定是 T本身，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，這樣的類型不能被加載，可以寫成 ：

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

因為 ：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，

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 。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。它可以被放進字段或從方法返回，也就是 6 個邏輯 T。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。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 ，ToBigArray以及隻讀轉換 。公開 API 的輸入會先被驗證 ，是否允許未初始化 、隻是每個元素更大。就可以容納四個邏輯上的 T。那麽實現會分配 3 個物理塊 。想要直接放寬這個限製，從零開始的數組是 SZArray ，複製、對 byte來說，

[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 
。準確地說是 127.998 TiB 。

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。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，確定這個值之後 ，你需要管理每個內部數組的大小，反射以及大量現有代碼。64 位係統上可以支持更大的範圍。split、

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，最後一個塊隻用到一部分 ，

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，仍然可能碰到非法組合。底層仍然是一個托管數組，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、

[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，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，性能很重要，但它不會在 object路徑上被加載。

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 。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，

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、也就是 T[]。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。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，我們還會用 Span<T>、

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 ，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，而塊大小是 4,095 ，但它隻藏在實現內部。

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。對於 object，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。然後實現使用引用偏移
，

有了這些塊類型之後，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。