類型加載

現在假設 T是构建 64 位運行時上的 object。確定這個值之後，托管object這樣的上数组引用類型就不適合這個方向。大約是构建 Array.MaxLength * 8191 。也就是托管 T[]。普通 .NET 代碼裏，上数组所以合法的构建塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

BigMemory<byte> page = buffer.AsBigMemory(1024,托管 4096);page.Span.Fill(0);

API 的設計則盡量沿用了普通 Span/Memory 的習慣：切片、

[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 個值的上数组塊，然後用普通的构建引用偏移往後移動。塊結構體本身也可以組合 。托管也可能是一個塊類型。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。split、和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。公開 API 的輸入會先被驗證，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，最後一個塊隻用到一部分 ，它們的數組長度相同，隻是每個元素變成了一小塊。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，因為這件事會牽涉到運行時、

通常不太建議隨意使用巨大的數組。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。再通過嵌套組合出其他長度  。它可能是 ElementChunk1<T>[]，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，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、否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。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，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。這樣一來 ，

這比手寫幾萬個字段 ，ReadOnlySpan<T>、最後隻調用這個分配器。可以存下 40 億個字節 。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，

手動管理內存很容易出錯，後麵的優化也談不上 。類型係統
、就會碰到 GC、但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，

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
。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，而不是元素背後的字節數。結果就是拋出 TypeLoadException ，也就是 6 個邏輯 T 。

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，

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，但仍然不少。底層是一個托管數組，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。仍然可能碰到非法組合 。比如邏輯長度是 10,000，

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。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。ToBigArray以及隻讀轉換。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，

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

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

public readonly ref struct BigSpan<T>{     internal readonly ref T _first;    internal readonly nint _length;}

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];}

BigArray<byte> buffer = new((nint)Array.MaxLength + 1024);BigSpan<byte> span = buffer.AsBigSpan();span[Array.MaxLength] = 42;

[InlineArray(4)]struct FourStrings{     private string _first;}

[InlineArray(4)]struct FourElements<T>{     private T _first;}

基本思路

在 .NET 中，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、

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。而塊大小是 4,095
，長度是 nint ，length 或 slice 超出合法範圍
，但它不會在 object路徑上被加載。就把數據拆成能放進 int的片段來處理
。但非常小。因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，但它隻藏在實現內部。機器仍然需要真的有足夠的內存 。就可以容納四個邏輯上的 T 。它仍然是一個托管數組對象，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
，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，

分配器來自一個針對塊長度的 switch
。交錯數組避開了非托管內存 ，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，它的長度受 int大小限製。以及是否固定 。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。nint本身無法表示更大的索引空間，對於 byte ，拿到第一個數據引用之後  ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，排序 、實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，訪問時要處理跨段邊界 ，byte[1024]存 1024 字節，對某個 T來說，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。

有了這些塊類型之後，尤其是在大分配的情況下 。

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。剩下的部分都空著 。GC、但能不能分配到需要的內存更重要 。然後實現使用引用偏移，數組數據區裏連續排列著塊結構體，它會計算塊長度，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，允許你取出普通的 Span<T>片段
。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，

BigArray

有了塊機製之後，

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。從零開始的數組是 SZArray ，

麻煩的地方在於
，但代價也很明顯。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。每個分支都返回一個靜態 lambda
，最大長度會隨塊大小增長 。你需要管理每個內部數組的大小 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。

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 ，byte能使用的最大塊長度，而且對任意 T來說也不一定合法
。它給你一個大索引視圖
 ，這樣的類型不能被加載，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。反射和基礎類庫等很多地方。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素，我們還會用 Span<T>、可以寫成：

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

  因為 ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此
  ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，隻是每個元素更大。跨過一個塊到下一個塊，JIT、這裏當然說的是理論上限，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
  ，

  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。不同的是
  ，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。

  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，類型係統、這兩種方案在某些場景下都能用
  ，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，用戶不需要手動釋放內存
  。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。分配選中的塊數組 ，隻是查看由別的對象保持存活的內存，和 Span<T>一樣，數組隻是編程模型的一部分 。

• 由 GC 管理 ，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，最常見的一維、BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，搜索、真正的邏輯終點由 _length記錄。而且塊大小是 65,535。是否允許未初始化、底層仍然是一個托管數組 ，會在到達這條路徑之前失敗。trim、性能很重要，那麽實現會分配 3 個物理塊 。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。但本質上仍然是一組數組。它不擁有內存
  ，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。不需要清零的性能敏感場景，

• 連續托管內存分配。

  [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
   。int[1024]存 4096 字節 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，準確地說是 127.998 TiB 。隨機訪問模式也可能比小數組慢 。

  .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。如果連內存都分配不出來，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。它會讓 GC 壓力更大
  ，