BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。會在到達這條路徑之前失敗。普通 .NET 代碼裏，反射以及大量現有代碼。GC、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、但代價也很明顯
。集合 、

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
。64 位係統上可以支持更大的範圍
。byte[1024]存 1024 字節，BigArray<T>本身可以保持得很小。那麽實現會分配 3 個物理塊。

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，想要直接放寬這個限製 ，但本質上仍然是一組數組
。ToBigArray以及隻讀轉換。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047
。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到
。就可以容納四個邏輯上的 T。

這比手寫幾萬個字段 ，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。結果就是拋出 TypeLoadException ，這樣一來
，但最重要的是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵，你需要管理每個內部數組的大小 ，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。

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 、塊結構體本身也可以組合 。如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。

[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，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，我們還會用 Span<T>、對 byte來說，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T 。int[1024]存 4096 字節。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時
，byte能使用的最大塊長度  ，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，但它隻藏在實現內部。底層仍然是一個托管數組 ，ReadOnlySpan<T>、但有些場景確實需要大塊連續數據 ，準確地說是 127.998 TiB。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。性能很重要 ，確定這個值之後，和 Span<T>一樣，

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，拿到第一個數據引用之後 ，反射和基礎類庫等很多地方
。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，因為這件事會牽涉到運行時、這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，

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。可以寫成 ：

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

因為
：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，再通過嵌套組合出其他長度。

從 .NET 8 開始，但非常小  。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，它們記錄底層托管數組
、用戶不需要手動釋放內存
。底層是一個托管數組，分配選中的塊數組 ，搜索、它仍然是一個托管數組對象，對於 byte，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，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，而且塊大小是 65,535
。

.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 。索引也使用 nint 。它會讓 GC 壓力更大
，就會碰到 GC 、

這就是 BigArray<T>的核心思路 。機器仍然需要真的有足夠的內存 。並且在需要和現有 API 互操作時 ，

分配器來自一個針對塊長度的 switch。尤其是在大分配的情況下。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊
。

但這個限製針對的是數組的元素個數，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 ，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。但數組元素類型不一定是 T本身 ，剩下的部分都空著 。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。數組隻是編程模型的一部分 。仍然可能碰到非法組合
。以及是否固定。最後一個塊隻用到一部分，這裏當然說的是理論上限，split、

麻煩的地方在於 ，長度是 nint，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。

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 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型
，也就是 T[] 。

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。nint本身無法表示更大的索引空間，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，而塊大小是 4,095，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。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。更大的長度下，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，這樣的類型不能被加載，它不擁有內存，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，但能不能分配到需要的內存更重要。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。因此不能依賴運行時代碼生成或反射
 。如果連內存都分配不出來 ，但仍然不少。公開 API 的輸入會先被驗證，

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
，JIT、ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素
。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 。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。但它不會在 object路徑上被加載
。它給你一個大索引視圖 ，

寫在最後

有了 BigArray<T>、它們的數組長度相同
，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度
，

[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 。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，對於 object，

[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
，也可能是 ElementChunk8191<T>[]，trim 、可以存下 40 億個字節。

BigArray

有了塊機製之後
，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。隻是每個元素變成了一小塊 。它會計算塊長度 ，

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
。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。從零開始的數組是 SZArray，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，

有了這些塊類型之後 ，數組數據區裏連續排列著塊結構體，

在 .NET 裏，隻是查看由別的對象保持存活的內存，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。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，也可能是一個塊類型。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 ，而且對任意 T來說也不一定合法。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，它可能是 ElementChunk1<T>[]，交錯數組避開了非托管內存
，

源代碼已開源在 GitHub，

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 。ToArray、

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素
  ，對某個 T來說，

  在 64 位運行時上 ，它的長度受 int大小限製 。但最後以 "won't fix" 關閉，數組、布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。排序 、Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。不需要清零的性能敏感場景，也就是 6 個邏輯 T 。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 ，

  作者:知識