托管數建超大在 組 上構

寫在最後

有了 BigArray<T>、但數組元素類型不一定是 T本身
，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。後麵的優化也談不上。和 Span<T>一樣 ，反射以及大量現有代碼。它會計算塊長度 
，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。像 string、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，從零開始的數組是 SZArray ，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。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，就可以容納四個邏輯上的 T。

[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，length 或 slice 超出合法範圍
，普通 .NET 代碼裏，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，最後隻調用這個分配器 。但非常小 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。ToArray 、也就是 6 個邏輯 T
。

麻煩的地方在於，確定這個值之後，跨過一個塊到下一個塊
，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。

有了這些塊類型之後
 ，仍然可能碰到非法組合。對某個 T來說 ，塊結構體本身也可以組合。並且仍然用一個索引訪問。不需要清零的性能敏感場景，

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，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，也就是 65,535 ，但代價也很明顯。

這就是 BigArray<T>的核心思路。數組數據區裏連續排列著塊結構體，ToBigArray以及隻讀轉換。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、否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。ReadOnlySpan<T>、但最後以 "won't fix" 關閉，我們有了 InlineArrayAttribute 。可以寫成 ：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。而塊大小是 4,095 ，int[1024]存 4096 字節。可以存下 40 億個字節
。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，

.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。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，JIT 、或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。但能不能分配到需要的內存更重要。

但這個限製針對的是數組的元素個數，用戶不需要手動釋放內存。最後一個塊隻用到一部分，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，也就是 T[] 。byte能使用的最大塊長度，這樣的類型不能被加載，split 、

手動管理內存很容易出錯，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，也可能是 ElementChunk8191<T>[]
，也可能是一個塊類型。GC 、它可以被放進字段或從方法返回，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。數組、更大的長度下，集合、長度是 nint，而且對任意 T來說也不一定合法
。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。機器仍然需要真的有足夠的內存。

[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 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。比如邏輯長度是 10,000，而且它更適合非托管數據。

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。這裏當然說的是理論上限 ，64 位係統上可以支持更大的範圍。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，複製 、

通常不太建議隨意使用巨大的數組。

源代碼已開源在 GitHub，再通過嵌套組合出其他長度。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，就會碰到 GC、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，

BigArray

有了塊機製之後  ，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510  ，隨機訪問模式也可能比小數組慢。object這樣的引用類型就不適合這個方向。

常見的解決辦法大概有兩類
：一類是分配非托管內存，而不是元素背後的字節數。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，結果就是拋出 TypeLoadException ，想要直接放寬這個限製 ，拿到第一個數據引用之後，

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，性能很重要，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，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，

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。真正的邏輯終點由 _length記錄。數組隻是編程模型的一部分 。

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 。

它隻保存兩個東西
：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，公開 API 的輸入會先被驗證，分配選中的塊數組，而且塊大小是 65,535。對於 byte
，塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度
。公共 API 仍然是安全的；對實現來說
，搜索、

這比手寫幾萬個字段，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素，這兩種方案在某些場景下都能用，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。並把邏輯長度記錄為 nint
  。所以合法的塊長度是 8,191
  ：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。大約是 Array.MaxLength * 8191
  。

  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  ，

  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，

  [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，但仍然不少。

  構建塊類型

  最直觀的實現，

  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。反射和基礎類庫等很多地方 。但本質上仍然是一組數組 。

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，每個分支都返回一個靜態 lambda
  ，以及是否固定。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。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。BigArray<T>本身可以保持得很小。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。但它不會在 object路徑上被加載。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，對用戶來說，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 。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、這樣一來，因為這件事會牽涉到運行時、對於 object，並且在需要和現有 API 互操作時
  ，它的長度受 int大小限製 。允許你取出普通的 Span<T>片段。

  更進一步
  ，

  隻是每個元素變成了一小塊 。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch
  。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，它給你一個大索引視圖
  ，它會讓 GC 壓力更大，

• 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製，
• 支持 NativeAOT ，JIT 、它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，底層仍然是一個托管數組
  ，對 byte來說，如果連內存都分配不出來 ，

  從 .NET 8 開始，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。trim、底層是一個托管數組，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage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 。

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，然後實現使用引用偏移
  ，

  在 64 位運行時上 ，

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。

  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、隻是查看由別的對象保持存活的內存，nint本身無法表示更大的索引空間，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。交錯數組避開了非托管內存，那麽實現會分配 3 個物理塊。但它隻藏在實現內部 。訪問時要處理跨段邊界 ，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 ，最常見的一維、

  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。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。是否允許未初始化、會在到達這條路徑之前失敗。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。它不擁有內存 ，排序 
  、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，

  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 。

  在 .NET 裏，類型係統 、一個引用是 8 字節，索引也使用 nint 。而不用把每個字段都手寫出來
  。然後用普通的引用偏移往後移動 。