構建塊類型

最直觀的實現
，那麽實現會分配 3 個物理塊 。它會讓 GC 壓力更大，

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。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，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。但能不能分配到需要的內存更重要。

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 。

源代碼已開源在 GitHub，也可能是一個塊類型
。塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。機器仍然需要真的有足夠的內存。公開 API 的輸入會先被驗證
，

[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，它會計算塊長度，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。nint本身無法表示更大的索引空間，byte[1024]存 1024 字節，底層仍然是一個托管數組，而元素又內聯保存在這些塊裏，

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 ，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。允許你取出普通的 Span<T>片段。最後隻調用這個分配器。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，跨過一個塊到下一個塊 ，性能很重要 ，可以存下 40 億個字節。它仍然是一個托管數組對象，但本質上仍然是一組數組
。不同的是，GC
、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。int[1024]存 4096 字節 。普通 .NET 代碼裏，複製
、這裏當然說的是理論上限 
，它的長度受 int大小限製 。

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 ，排序、會在到達這條路徑之前失敗  。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 。就可以容納四個邏輯上的 T 。它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，對 byte來說，數組、如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，索引也使用 nint。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，但它不會在 object路徑上被加載 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。隻是查看由別的對象保持存活的內存
，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，從零開始的數組是 SZArray ，它可以被放進字段或從方法返回 ，像 string、訪問時要處理跨段邊界 ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，隻是每個元素變成了一小塊。但數組元素類型不一定是 T本身，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。隻是每個元素更大 。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，但有些場景確實需要大塊連續數據 ，想要直接放寬這個限製 ，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，而不是元素背後的字節數。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，可以寫成 ：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，JIT 、而且對任意 T來說也不一定合法。

BigArray

有了塊機製之後
，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，BigSpan<T>和 BigMemory<T>
，

在 .NET 裏
，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 。

手動管理內存很容易出錯，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 、

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch
  。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
  。object這樣的引用類型就不適合這個方向。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining
  。隨機訪問模式也可能比小數組慢。

  而且塊大小是 65,535。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 。

  這比手寫幾萬個字段，每個分支都返回一個靜態 lambda，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，我們還會用 Span<T>
  、集合、

  通常不太建議隨意使用巨大的數組
  。數組隻是編程模型的一部分。分配選中的塊數組，確定這個值之後 ，剩下的部分都空著 。

• 連續托管內存分配。你需要管理每個內部數組的大小，

  這就是 BigArray<T>的核心思路。64 位係統上可以支持更大的範圍。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。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，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，如果 index 、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、但最重要的是它的實現
  ：真正的分配藏在 lambda 後麵，是否允許未初始化、

  類型加載

  現在假設 T是 64 位運行時上的 object。

  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 ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。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 ，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，也就是 T[] 。反射以及大量現有代碼
  。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，ToArray 、用戶不需要手動釋放內存。尤其是在大分配的情況下
  。但代價也很明顯。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用 ，最後一個塊隻用到一部分，交錯數組避開了非托管內存 ，

  從 .NET 8 開始，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
  。

  更進一步
  ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]
  ，

基本思路

在 .NET 中
，

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 ，split、大約是 Array.MaxLength * 8191 。但仍然不少。這樣一來 ，它不擁有內存，

寫在最後

有了 BigArray<T>、數組數據區裏連續排列著塊結構體，

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，這兩種方案在某些場景下都能用，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。

它隻保存兩個東西 ：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下
，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。更大的長度下
，

在 64 位運行時上，對於 byte
，trim 、不需要清零的性能敏感場景 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。就把數據拆成能放進 int的片段來處理
 。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，如果連內存都分配不出來，ReadOnlySpan<T> 、因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多
。這樣的類型不能被加載
，最大長度會隨塊大小增長 。再通過嵌套組合出其他長度 。

[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。也就是 65,535，然後實現使用引用偏移 ，

麻煩的地方在於，

但這個限製針對的是數組的元素個數 ，然後用普通的引用偏移往後移動。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。對用戶來說 ，byte能使用的最大塊長度，JIT、所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。類型係統
 、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
，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。也就是 6 個邏輯 T。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，但最後以 "won't fix" 關閉，但非常小。而不用把每個字段都手寫出來。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。準確地說是 127.998 TiB。