匹夫無罪網在 組托管數 上構建超大
Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。构建這裏有一個重要的托管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。反射以及大量現有代碼
。上数组它不擁有內存 ，构建通常是托管 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。
這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。上数组對 byte來說，构建會在到達這條路徑之前失敗
。托管對用戶來說 ，上数组但有些場景確實需要大塊連續數據 ，构建大約是托管 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，
寫在最後
有了 BigArray<T> 、上数组因為它包含 65,构建535 個 object 引用 ，
源代碼已開源在 GitHub ，托管同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。ToArray
、Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，如果 index、它們記錄底層托管數組
、
BigArray
有了塊機製之後 ，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。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，
object
，分配選中的塊數組 ，訪問時要處理跨段邊界，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，類型係統 、性能很重要 ，更進一步 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。可以存下 40 億個字節
。底層是一個托管數組
，底層仍然是一個托管數組 ，
struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，不需要清零的性能敏感場景 ，從零開始的數組是 SZArray ，
.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。nint本身無法表示更大的索引空間 ，而且塊大小是 65,535 。並且仍然用一個索引訪問
。公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，這樣一來
，這樣的類型不能被加載 ，仍然可能碰到非法組合 。跨過一個塊到下一個塊，但本質上仍然是一組數組 。而且它更適合非托管數據 。但最後以 "won't fix" 關閉
，
類型加載
現在假設 T是 64 位運行時上的 object
。拿到第一個數據引用之後 ，它給你一個大索引視圖，複製 、
這比手寫幾萬個字段 ，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 ，
從 .NET 8 開始 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]
，數組 、
於是我決定自己做一個方案：
- 能容納超過 20 億個元素 ，或者是
ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，集合、並把邏輯長度記錄為nint。它們的數組長度相同，隨機訪問模式也可能比小數組慢。GC 、這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，BigSpan 和 BigMemory
隻有持有存儲的類型還不夠 。所以合法的塊長度是 8,191 ：
65535 / 8 = 8191這意味著
ElementChunk8191<object>是合法的。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 ，像
string、可以寫成 ：ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>因為 ：
3 * 5 * 17 * 257 = 65535因此，真正的邏輯終點由
_length記錄 。BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過int.MaxValue個元素。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 ，而且分配用的輔助方法標記為
NoInlining。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，JIT 、這兩種方案在某些場景下都能用，這也是為什麽
_storage的類型是Array：實際運行時類型取決於T。準確地說是 127.998 TiB。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。這就是
BigArray<T>的核心思路 。就會碰到 GC、結果就是拋出TypeLoadException，object這樣的引用類型就不適合這個方向 。交錯數組避開了非托管內存 ，但代價也很明顯 。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，並且在需要和現有 API 互操作時，最常見的一維、Unsafe.Add(ref first, index)會移動index個邏輯T元素 。它會讓 GC 壓力更大 ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。作為數組元素的值類型會占用8 * 65535 = 524,280字節。麻煩的地方在於 ，對於
byte，BigArray<T>本身可以保持得很小 。數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，再通過嵌套組合出其他長度 。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、因此不能依賴運行時代碼生成或反射。
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，但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，但仍然不少 。我們有了
InlineArrayAttribute。最後隻調用這個分配器 。但能不能分配到需要的內存更重要 。然後用普通的引用偏移往後移動 。用戶不需要手動釋放內存 。你需要管理每個內部數組的大小 ，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 、允許你取出普通的
Span<T>片段 。也就是 65,535 ，[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，[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 ，
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 ，後麵的優化也談不上 。
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 、ToBigArray以及隻讀轉換 。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。 - 支持 NativeAOT，它會分配一個
ElementChunk1<T>[]，不同的是，在 .NET 裏 ，但它隻藏在實現內部 。它們的
Span屬性會生成BigSpan<T>或BigReadOnlySpan<T>。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。在 64 位運行時上 ，
ReadOnlySpan<T>、如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。也就是 6 個邏輯T。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。如果連內存都分配不出來 ，想要直接放寬這個限製 ，否則運行時在創建數組時會拋出TypeLoadException。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 。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯
T的引用，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 。隻要覆蓋65535 / size可能產生的那些值就夠了 。就把數據拆成能放進int的片段來處理。[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。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。尤其是在大分配的情況下 。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。最大長度會隨塊大小增長 。
一個FourElements<T>數組的每個物理元素 ，隻是每個元素更大。而不是元素背後的字節數 。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，length 或 slice 超出合法範圍 ，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 。trim、隻是每個元素變成了一小塊 。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 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通T[]。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，分配器來自一個針對塊長度的 switch 。它可能是
ElementChunk1<T>[]， - 支持
string和object之類的引用類型 。它的長度受int大小限製 。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，一個引用是 8 字節， - 由 GC 管理，split
、大約是
Array.MaxLength * 8191。而不用把每個字段都手寫出來 。因為這件事會牽涉到運行時、則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。它仍然是一個托管數組對象 ，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，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。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。公開 API 的輸入會先被驗證 ，它可以被放進字段或從方法返回 ，也可能是一個塊類型 。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 ，
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 。分配路徑會先計算T對應的合法塊長度 ，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，通常不太建議隨意使用巨大的數組 。和
BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。構建塊類型
最直觀的實現 ，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，然後實現使用引用偏移 ，
基本思路
在 .NET 中 ，類型係統 、
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 。每個分支都返回一個靜態 lambda
，
它隻保存兩個東西 ：
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;普通長度下 ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，那麽實現會分配 3 個物理塊。
ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T> 。有了這些塊類型之後，byte[1024]存 1024 字節
，也就是 T[]
。索引也使用 nint 。
這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間
？答案是會，排序
、但數組元素類型不一定是 T本身
，就可以容納四個邏輯上的 T
。更大的長度下
，
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
。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，確定這個值之後 ，我們還會用 Span<T>、JIT 、長度是 nint ，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。而塊大小是 4,095
，和 Span<T>一樣，BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，int[1024]存 4096 字節。而且對任意 T來說也不一定合法 。最後一個塊隻用到一部分 ，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，是否允許未初始化 、剩下的部分都空著 。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，
常見的解決辦法大概有兩類
：一類是分配非托管內存 ，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。普通 .NET 代碼裏 ，對某個 T來說 ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。它會計算塊長度，數組隻是編程模型的一部分 。
手動管理內存很容易出錯 ，反射和基礎類庫等很多地方 。
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 。但它不會在 object路徑上被加載
。塊結構體本身也可以組合 。但非常小
。byte能使用的最大塊長度，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。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 。搜索、但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。
但這個限製針對的是數組的元素個數，
