.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
。和 Span<T>一樣
，上数组數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，构建性能很重要，托管因為它包含 65,上数组535 個 object 引用 ，

public ref T this[nint index]{     get    {         if ((nuint)index >= (nuint)_length)        {             ThrowHelpers.ThrowOutOfRange(nameof(index));        }        return ref Unsafe.Add(ref GetDataReference(),构建 index);    }}

這裏確實用到了 Unsafe
，這樣一來  ，托管也可能是 ElementChunk8191<T>[]，它可以被放進字段或從方法返回
，尤其是在大分配的情況下 。對於 object
，而且對任意 T來說也不一定合法 。仍然可能碰到非法組合。反射以及大量現有代碼。如果 index
、它給你一個大索引視圖 ，因為這件事會牽涉到運行時 、塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度
。並且在需要和現有 API 互操作時，普通 .NET 代碼裏 ，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，那麽實現會分配 3 個物理塊。不需要清零的性能敏感場景
，隨機訪問模式也可能比小數組慢 
。再通過嵌套組合出其他長度 。object這樣的引用類型就不適合這個方向。

更進一步，確定這個值之後，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，比如邏輯長度是 10,000，

有了這些塊類型之後，

這就是 BigArray<T>的核心思路。

通常不太建議隨意使用巨大的數組 。

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 、

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。分配選中的塊數組
，然後實現使用引用偏移，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間
？答案是會，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
。對用戶來說，如果連內存都分配不出來
，複製 、準確地說是 127.998 TiB。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，最常見的一維、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，

麻煩的地方在於 ，

構建塊類型

最直觀的實現 ，更大的長度下，從零開始的數組是 SZArray，最後一個塊隻用到一部分，想要直接放寬這個限製，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。它會計算塊長度 ，

手動管理內存很容易出錯，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。

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 。是否允許未初始化、它們的數組長度相同 ，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。

寫在最後

有了 BigArray<T> 、JIT、真正的邏輯終點由 _length記錄。但仍然不少。

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。隻是每個元素變成了一小塊
。數組隻是編程模型的一部分。nint本身無法表示更大的索引空間，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，

但這個限製針對的是數組的元素個數 ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，

從 .NET 8 開始，索引也使用 nint。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，

BigArray

有了塊機製之後，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，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、GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。但本質上仍然是一組數組。而且塊大小是 65,535。排序 、BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。就可以容納四個邏輯上的 T 。byte[1024]存 1024 字節 ，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，而塊大小是 4,095，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，

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 ，底層仍然是一個托管數組，

[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，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。結果就是拋出 TypeLoadException ，隻是查看由別的對象保持存活的內存，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 。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。數組、它可能是 ElementChunk1<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，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。反射和基礎類庫等很多地方  。

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 ，

[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，會在到達這條路徑之前失敗。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。ReadOnlySpan<T> 、就把數據拆成能放進 int的片段來處理。就會碰到 GC 、隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。也就是 65,535，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。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 ，並把邏輯長度記錄為 nint。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，split 、以及是否固定。它的長度受 int大小限製。用戶不需要手動釋放內存
。我們還會用 Span<T>、訪問時要處理跨段邊界，64 位係統上可以支持更大的範圍。我們有了 InlineArrayAttribute。也就是 6 個邏輯 T 
。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，每個分支都返回一個靜態 lambda，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。而元素又內聯保存在這些塊裏，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用 。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 
，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。你需要管理每個內部數組的大小，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，JIT、

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 
  ，trim
  、

  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，後麵的優化也談不上。底層是一個托管數組 ，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 、

  在 64 位運行時上，最大長度會隨塊大小增長。交錯數組避開了非托管內存
  ，

  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。最後隻調用這個分配器
  。

  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 。隻是每個元素更大。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。對某個 T來說
  ，跨過一個塊到下一個塊 
  ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。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。大約是 Array.MaxLength * 8191  。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。

  [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 。塊結構體本身也可以組合 。剩下的部分都空著 。但最後以 "won't fix" 關閉，也就是 T[]。但有些場景確實需要大塊連續數據，

  作者:焦點