65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。這時最後一個塊隻使用 1 個字節
，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。我們有了 InlineArrayAttribute。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。但本質上仍然是一組數組。

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 。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，

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，

ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>

因為 ：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，你需要管理每個內部數組的大小，對某個 T來說，隨機訪問模式也可能比小數組慢
。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素
，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
，拿到第一個數據引用之後，如果 index、

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。

有了這些塊類型之後，分配選中的塊數組 ，更大的長度下 ，隻是查看由別的對象保持存活的內存，ToArray
 、

手動管理內存很容易出錯 ，而不用把每個字段都手寫出來。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號  。底層是一個托管數組，允許你取出普通的 Span<T>片段。剩下的部分都空著。

internal readonly Array? _storage;internal readonly nint _start;internal readonly nint _length;

當你需要高效的引用訪問時 
，而元素又內聯保存在這些塊裏，

從 .NET 8 開始 ，每個分支都返回一個靜態 lambda ，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
。集合、object這樣的引用類型就不適合這個方向。這樣的類型不能被加載
 ，尤其是在大分配的情況下 。會在到達這條路徑之前失敗。數組、對於 object ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段
，而且塊大小是 65,535。和 Span<T>一樣，對用戶來說 ，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，然後用普通的引用偏移往後移動。

但這個限製針對的是數組的元素個數，比如邏輯長度是 10,000，想要直接放寬這個限製，最後一個塊隻用到一部分，並把邏輯長度記錄為 nint 。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。它仍然是一個托管數組對象 ，這兩種方案在某些場景下都能用  ，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。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，但仍然不少。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。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 。它會計算塊長度 ，也可能是一個塊類型。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。JIT、nint本身無法表示更大的索引空間，int[1024]存 4096 字節 。對 byte來說 ，

這比手寫幾萬個字段
，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
 、如果連內存都分配不出來，公共 API 仍然是安全的；對實現來說，

寫在最後

有了 BigArray<T>、如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，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
。

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
，真正的邏輯終點由 _length記錄。我們還會用 Span<T> 、跨過一個塊到下一個塊，搜索、隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，類型係統、這樣一來，JIT 、

源代碼已開源在 GitHub  ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。

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。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。仍然可能碰到非法組合 。trim、訪問時要處理跨段邊界 ，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型
。

分配器來自一個針對塊長度的 switch。再通過嵌套組合出其他長度。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。它的長度受 int大小限製。但它隻藏在實現內部 。

這就是 BigArray<T>的核心思路。結果就是拋出 TypeLoadException ，大約是 Array.MaxLength * 8191。

在 64 位運行時上
，可以存下 40 億個字節 。複製、這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，

[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。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，但代價也很明顯。所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
。後麵的優化也談不上。ReadOnlySpan<T>、以及是否固定。交錯數組避開了非托管內存，最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。

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。

.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。

[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，但最後以 "won't fix" 關閉
，數組隻是編程模型的一部分
。

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 、它們記錄底層托管數組
、也就是 65,535 
，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。

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，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191
。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。length 或 slice 超出合法範圍 ，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會，就可以容納四個邏輯上的 T。而且對任意 T來說也不一定合法。

通常不太建議隨意使用巨大的數組。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。

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 。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，然後實現使用引用偏移，GC、性能很重要，但非常小。

於是我決定自己做一個方案
：

• 能容納超過 20 億個元素，隻是每個元素變成了一小塊。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。並且在需要和現有 API 互操作時，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。

  它隻保存兩個東西 ：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

  [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，

  構建塊類型

  最直觀的實現，最後隻調用這個分配器 。

  同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時
  ，機器仍然需要真的有足夠的內存。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。就會碰到 GC、數組數據區裏連續排列著塊結構體，但它不會在 object路徑上被加載。

  麻煩的地方在於，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。它們的數組長度相同，那麽實現會分配 3 個物理塊。

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，

  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 。

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，準確地說是 127.998 TiB 。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。它不擁有內存 ，隻是每個元素更大。類型係統、64 位係統上可以支持更大的範圍 。byte[1024]存 1024 字節，它會讓 GC 壓力更大 ，因為這件事會牽涉到運行時、

  更進一步 ，一個引用是 8 字節，

  在 .NET 裏
  ，

  作者:焦點