- 能容納超過 20 億個元素 ，公開 API 的輸入會先被驗證 ，
- 連續托管內存分配
。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
。也就是
T[] 。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，在 .NET 裏
，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，並且在需要和現有 API 互操作時 ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了 。
[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 ，而不是元素背後的字節數
。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。也可能是一個塊類型 。
這比手寫幾萬個字段 ，是否允許未初始化
、對於 byte，結果就是拋出 TypeLoadException
，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，
這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T
。
它隻保存兩個東西 ：
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;
普通長度下，
struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}
一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，搜索 、可以存下 40 億個字節。
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
，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。對於 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，長度是 nint
，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。這樣的類型不能被加載 ，ReadOnlySpan<T>、也就是 6 個邏輯 T 。允許你取出普通的 Span<T>片段 。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，
.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
。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，類型係統 、
通常不太建議隨意使用巨大的數組 。
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
。
在 64 位運行時上 ，JIT、
麻煩的地方在於 ，數組隻是編程模型的一部分 。trim 、如果 index 、它仍然是一個托管數組對象
，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭
。並且仍然用一個索引訪問 。最後一個塊隻用到一部分
，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號
。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，準確地說是 127.998 TiB
。但有些場景確實需要大塊連續數據
，它可以被放進字段或從方法返回 ，跨過一個塊到下一個塊 ，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，
- 由 GC 管理，
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
。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，但非常小
。這樣一來，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，最後隻需要 85 個基礎塊類型
：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>
。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
。底層是一個托管數組
，
這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間
？答案是會 ，但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，
剩下的部分都空著
。然後用普通的引用偏移往後移動 。nint本身無法表示更大的索引空間 ，可以寫成：ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>
因為 ：
3 * 5 * 17 * 257 = 65535
因此 ，以及是否固定 。
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。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見
。GC、排序 、split 、
這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。真正的邏輯終點由 _length記錄
。object這樣的引用類型就不適合這個方向 。並把邏輯長度記錄為 nint
。我們有了 InlineArrayAttribute 。但仍然不少 。再通過嵌套組合出其他長度
。對 byte來說 ，拿到第一個數據引用之後
，更大的長度下
，反射和基礎類庫等很多地方
。但它隻藏在實現內部。BigArray<T>本身可以保持得很小。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，但最後以 "won't fix" 關閉 ，和 Span<T>一樣
，byte能使用的最大塊長度 ，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，對用戶來說 ，而且它更適合非托管數據 。從零開始的數組是 SZArray
，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191
。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同
。索引也使用 nint 。
寫在最後
有了 BigArray<T> 、而且對任意 T來說也不一定合法 。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走
。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，隻是查看由別的對象保持存活的內存，length 或 slice 超出合法範圍
，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
。ToBigArray以及隻讀轉換。
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 ，分配選中的塊數組 ，
BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。反射以及大量現有代碼 。性能很重要，所以合法的塊長度是 8,191 ：
65535 / 8 = 8191
這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。想要直接放寬這個限製 ，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，但本質上仍然是一組數組 。我們還會用 Span<T>
、那麽實現會分配 3 個物理塊
。它會讓 GC 壓力更大 ，交錯數組避開了非托管內存，
構建塊類型
最直觀的實現，但它不會在 object路徑上被加載。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，byte[1024]存 1024 字節
，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時
，
從 .NET 8 開始
，複製 、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，int[1024]存 4096 字節
。
源代碼已開源在 GitHub
，用戶不需要手動釋放內存。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素
。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節
。比如邏輯長度是 10,000 ，然後實現使用引用偏移 ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。
有了這些塊類型之後 ，
分配器來自一個針對塊長度的 switch。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。尤其是在大分配的情況下
。對某個 T來說 ，一個引用是 8 字節
，後麵的優化也談不上 。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法
。它給你一個大索引視圖
，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。最常見的一維 、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 、仍然可能碰到非法組合。
[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 ，但代價也很明顯。
類型加載
現在假設 T是 64 位運行時上的 object
。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
，
- 支持 NativeAOT，但能不能分配到需要的內存更重要。
BigArray
有了塊機製之後 ，這兩種方案在某些場景下都能用 ，類型係統 、那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。
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
。大約是 Array.MaxLength * 8191 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了
，它們記錄底層托管數組、就可以容納四個邏輯上的 T 。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
，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。
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
。64 位係統上可以支持更大的範圍。它不擁有內存 ，
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
。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。集合
、
- 支持
string和 object之類的引用類型 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。底層仍然是一個托管數組，它的長度受 int大小限製 。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。它可能是 ElementChunk1<T>[]，最大長度會隨塊大小增長 。它會計算塊長度 ，
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 。會在到達這條路徑之前失敗 。
手動管理內存很容易出錯，你需要管理每個內部數組的大小 ，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
，
- 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製
，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。
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 、
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