匹夫無罪網在 組托管數 上構建超大
BigArray<byte> buffer = new((nint)Array.MaxLength + 1024);BigSpan<byte> span = buffer.AsBigSpan();span[Array.MaxLength] = 42;BigMemory<T>和 BigReadOnlyMemory<T>則是构建可以保存起來的視圖
。
分配器來自一個針對塊長度的托管 switch 。以及是上数组否固定 。我們有了 InlineArrayAttribute 。构建因為這件事會牽涉到運行時、托管但能不能分配到需要的上数组內存更重要
。它可以被放進字段或從方法返回 ，构建數組
、托管拿到第一個數據引用之後 ，上数组不需要清零的构建性能敏感場景 ，分配路徑會先計算 T對應的托管合法塊長度
，64 位係統上可以支持更大的範圍
。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 、則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。所以合法的塊長度是 8,191 ：
65535 / 8 = 8191這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。
常見的解決辦法大概有兩類
：一類是分配非托管內存 ，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，
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
。也就是 65,535 ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。機器仍然需要真的有足夠的內存。數組隻是編程模型的一部分
。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，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖
。
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
。準確地說是 127.998 TiB 。我們還會用 Span<T> 、BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，
BigSpan 和 BigMemory
隻有持有存儲的類型還不夠。byte能使用的最大塊長度
，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。
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
。仍然可能碰到非法組合 。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，對某個 T來說
，最後一個塊隻用到一部分 ，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。允許你取出普通的 Span<T>片段
。底層是一個托管數組 ，排序
、
通常不太建議隨意使用巨大的數組 。ToArray 、如果連內存都分配不出來
，
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。但最後以 "won't fix" 關閉 ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。最後隻調用這個分配器。隨機訪問模式也可能比小數組慢。然後用普通的引用偏移往後移動 。隻是每個元素變成了一小塊 。塊結構體本身也可以組合 。
在 64 位運行時上
，byte[1024]存 1024 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 ，
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 、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
。最大長度會隨塊大小增長。
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，GC 、
這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T
。結果就是拋出 TypeLoadException，用戶不需要手動釋放內存。也可能是一個塊類型
。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭
。ToBigArray以及隻讀轉換 。
基本思路
在 .NET 中 ，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，
它隻保存兩個東西：
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;普通長度下 ，
這就是 BigArray<T>的核心思路
。一個引用是 8 字節
，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，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 ，它們的數組長度相同 ，它會讓 GC 壓力更大 ，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。JIT 、nint本身無法表示更大的索引空間
，從零開始的數組是 SZArray，它給你一個大索引視圖
，就會碰到 GC、會在到達這條路徑之前失敗 。它可能是 ElementChunk1<T>[] ，比如邏輯長度是 10,000，塊長度是 ：
65535 / Unsafe.SizeOf<T>()所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。但數組元素類型不一定是 T本身，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。類型係統 、但仍然不少 。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。
寫在最後
有了 BigArray<T> 、並把邏輯長度記錄為 nint 。
.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 。交錯數組避開了非托管內存 ，不同的是 ，底層仍然是一個托管數組 ，而塊大小是 4,095 ，
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
，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。這樣一來 ，普通 .NET 代碼裏
，
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 。隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，這兩種方案在某些場景下都能用 ，但有些場景確實需要大塊連續數據，也可能是 ElementChunk8191<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，長度是 nint ，類型係統、而且塊大小是 65,535 。
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 ，它不擁有內存 ，
在 .NET 裏，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，
麻煩的地方在於
，如果 index 、你需要管理每個內部數組的大小 ，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，可以存下 40 億個字節 。也就是 6 個邏輯 T 。它們記錄底層托管數組
、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度
，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，再通過嵌套組合出其他長度 。也就是 T[] 。真正的邏輯終點由 _length記錄 。可以寫成
：
ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>因為 ：
3 * 5 * 17 * 257 = 65535因此 ，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 。而不用把每個字段都手寫出來 。
源代碼已開源在 GitHub ，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用 ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，
這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。
從 .NET 8 開始 ，對於 object ，想要直接放寬這個限製 ，但本質上仍然是一組數組 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。
BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素
。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
、確定這個值之後
，和 Span<T>一樣
，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型
，剩下的部分都空著
。
於是我決定自己做一個方案：
- 能容納超過 20 億個元素 ，每個分支都返回一個靜態 lambda ，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
。
這比手寫幾萬個字段 ，公開 API 的輸入會先被驗證 ，而且分配用的輔助方法標記為
NoInlining。或者是ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，反射和基礎類庫等很多地方 。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。 - 由 GC 管理，
- 支持
string和object之類的引用類型 。這樣的類型不能被加載 ，但非常小。object這樣的引用類型就不適合這個方向 。length 或 slice 超出合法範圍 ，但它隻藏在實現內部 。類型加載
現在假設
T是 64 位運行時上的object。手動管理內存很容易出錯 ，是否允許未初始化 、就可以容納四個邏輯上的
T。後麵的優化也談不上 。int[1024]存 4096 字節 。有了這些塊類型之後 ，所以
BigArray<T>保持普通數組的限製 。這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會，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 ，它會計算塊長度 ，跨過一個塊到下一個塊 ，分配選中的塊數組 ，而且對任意T來說也不一定合法 。數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，但這個限製針對的是數組的元素個數 ，
[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 ，trim 、搜索、JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，
- 連續托管內存分配
。對
byte來說，struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}一個包含 20 億個
TwoBytes的數組 ，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。再把這些塊裏的數據看成一段連續的T。就把數據拆成能放進int的片段來處理 。它的長度受int大小限製 。而且它更適合非托管數據。BigArray<T>本身可以保持得很小 。並且仍然用一個索引訪問 。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。複製 、隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。split 、索引也使用nint。集合 、那麽實現會分配 3 個物理塊 。作為數組元素的值類型會占用8 * 65535 = 524,280字節 。最常見的一維 、然後實現使用引用偏移 ， - 索引應該跟架構相關 ：32 位係統上保持普通數組的限製 ，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。像
string、性能很重要，反射以及大量現有代碼 。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 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。更大的長度下，隻是每個元素更大 。[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 。JIT、而不是元素背後的字節數 。但它不會在
object路徑上被加載 。但代價也很明顯。ReadOnlySpan<T>、對用戶來說 ，這裏當然說的是理論上限 ，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， - 支持 NativeAOT
，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段
，這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，大約是
Array.MaxLength * 8191。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。訪問時要處理跨段邊界 ，構建塊類型
最直觀的實現，
更進一步 ，
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。它會分配一個ElementChunk1<T>[]，最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從ElementChunk2<T>到ElementChunk8191<T>。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，它仍然是一個托管數組對象 ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。布局基本上接近帶了一層包裝的普通T[]。一個FourElements<T>數組的每個物理元素 ，公共 API 仍然是安全的；對實現來說，因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。對於byte，實現內部如果需要調用隻接受Span<T>或ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，BigArray
有了塊機製之後 ，
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