.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。就把數據拆成能放進 int的片段來處理。集合
、但仍然不少。byte[1024]存 1024 字節，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，長度是 nint ，一個引用是 8 字節
，這樣的類型不能被加載，結果就是拋出 TypeLoadException ，分配選中的塊數組，每個分支都返回一個靜態 lambda，就可以容納四個邏輯上的 T
。GC
、像 string
 、隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

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，

於是我決定自己做一個方案
：

• 能容納超過 20 億個元素，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。隻是查看由別的對象保持存活的內存
  ，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢。索引也使用 nint 。

  麻煩的地方在於 ，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，它不擁有內存 ，

• 支持 string和 object之類的引用類型
  。大約是 Array.MaxLength * 8191。交錯數組避開了非托管內存，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，性能很重要 ，64 位係統上可以支持更大的範圍。它仍然是一個托管數組對象，剩下的部分都空著。

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。更大的長度下 ，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
  ，但最後以 "won't fix" 關閉 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。準確地說是 127.998 TiB
  。布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]
  。不同的是，但它不會在 object路徑上被加載。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 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，也就是 65,535 ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，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
  ，但本質上仍然是一組數組。

  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，訪問時要處理跨段邊界 
  ，

  [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
  ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。

  寫在最後

  有了 BigArray<T>、所以合法的塊長度是 8,191 ：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。

  更進一步 ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。而且它更適合非托管數據。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，數組 
  、

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。並且在需要和現有 API 互操作時 ，它會讓 GC 壓力更大，這兩種方案在某些場景下都能用 ，最後隻調用這個分配器 。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。它可能是 ElementChunk1<T>[]，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。它會計算塊長度
  ，

  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。

• 支持 NativeAOT ，object這樣的引用類型就不適合這個方向 。反射和基礎類庫等很多地方 。我們有了 InlineArrayAttribute。對 byte來說 ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，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、但有些場景確實需要大塊連續數據，而且對任意 T來說也不一定合法
   。以及是否固定。對於 byte ，ReadOnlySpan<T> 、因為這件事會牽涉到運行時
  、而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。也就是 6 個邏輯 T
  。並且仍然用一個索引訪問。那麽實現會分配 3 個物理塊。

  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
  。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 。拿到第一個數據引用之後，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，

  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。也可能是一個塊類型
  。length 或 slice 超出合法範圍 ，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，而不是元素背後的字節數。

  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，最後一個塊隻用到一部分 ，它的長度受 int大小限製。塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。底層是一個托管數組 ，

  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
  。它們記錄底層托管數組 、想要直接放寬這個限製，

  在 .NET 裏，複製 、你需要管理每個內部數組的大小，然後實現使用引用偏移 ，但它隻藏在實現內部
  。

  從 .NET 8 開始，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。這裏當然說的是理論上限 ，它給你一個大索引視圖，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，

  在 64 位運行時上，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。JIT
  、

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，

  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。

  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
  。排序 、而且塊大小是 65,535。不需要清零的性能敏感場景，最後隻需要 85 個基礎塊類型
  ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<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 ，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。最常見的一維 、

  源代碼已開源在 GitHub，數組隻是編程模型的一部分 。ToBigArray以及隻讀轉換。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。而不用把每個字段都手寫出來 
  。後麵的優化也談不上。是否允許未初始化 、nint本身無法表示更大的索引空間，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。跨過一個塊到下一個塊，trim、通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 
  。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，

  和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。公開 API 的輸入會先被驗證
  ，真正的邏輯終點由 _length記錄 。ToArray 、數組數據區裏連續排列著塊結構體，但數組元素類型不一定是 T本身
  ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。可以存下 40 億個字節。