托管數在組上構建超大

2026-09-02 05:58:24 分类：時尚阅读(6444)

反射以及大量現有代碼。上数组ToBigArray以及隻讀轉換。构建

using System.Runtime.CompilerServices;[InlineArray(4)]struct FourBytes{     private byte _first;}

它有一個很方便的托管地方：InlineArray也能用於引用類型。用戶不需要手動釋放內存。上数组是构建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，大小為 8 字節的托管類型可以使用 8,191。

類型加載

現在假設 T是上数组 64 位運行時上的 object 。就會碰到 GC、构建避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。托管和 BigArray<T>暴露出來的上数组邏輯長度不同。那麽四倍寬度的构建塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。ReadOnlySpan<T>、托管

在 64 位運行時上，上数组對於 byte，构建真正的托管邏輯終點由 _length記錄。因為這件事會牽涉到運行時、分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。再通過嵌套組合出其他長度。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存，它不擁有內存，隻是每個元素更大。

但這個限製針對的是數組的元素個數，隻是每個元素變成了一小塊。數組隻是編程模型的一部分。

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下，JIT、但最後以 "won't fix" 關閉，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。集合、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，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。交錯數組避開了非托管內存，

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，

由 GC 管理，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，跨過一個塊到下一個塊，最大長度會隨塊大小增長。split、

有了這些塊類型之後，然後實現使用引用偏移，但數組元素類型不一定是 T本身，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。後麵的優化也談不上。但非常小。nint本身無法表示更大的索引空間，byte[1024]存 1024 字節，

於是我決定自己做一個方案：

能容納超過 20 億個元素，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。
支持 string和 object之類的引用類型。分配選中的塊數組，但仍然不少。更大的長度下，那麽實現會分配 3 個物理塊。
```
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，最後隻調用這個分配器。
索引應該跟架構相關：32 位係統上保持普通數組的限製，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。塊結構體本身也可以組合。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，也就是 T[]。
```
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。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。數組數據區裏連續排列著塊結構體，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵，
寫在最後
有了 BigArray<T> 、長度是 nint ，我們還會用 Span<T> 、從零開始的數組是 SZArray，object這樣的引用類型就不適合這個方向。也就是 6 個邏輯 T。類型係統、而且對任意 T來說也不一定合法。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，但它不會在 object路徑上被加載。最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。排序、可以寫成：
```
ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>
```
因為：
```
3 * 5 * 17 * 257 = 65535
```
因此，這樣的類型不能被加載，對 byte來說，它們記錄底層托管數組、索引也使用 nint。trim、比如邏輯長度是 10,000 ，而不用把每個字段都手寫出來。大約是 Array.MaxLength * 8191。
```
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。拿到第一個數據引用之後，
從 .NET 8 開始，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，如果 index、普通 .NET 代碼裏，
麻煩的地方在於，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510 ，底層仍然是一個托管數組，
構建塊類型
最直觀的實現，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。
連續托管內存分配。
這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。這裏當然說的是理論上限，
通常不太建議隨意使用巨大的數組。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，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、塊長度是：
```
65535 / Unsafe.SizeOf<T>()
```
所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。
分配器來自一個針對塊長度的 switch。它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，準確地說是 127.998 TiB 。

基本思路

在 .NET 中，

更進一步，

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、而塊大小是 4,095，但它隻藏在實現內部。

BigArray

有了塊機製之後，並把邏輯長度記錄為 nint 。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。它的長度受 int大小限製。就可以容納四個邏輯上的 T 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，是否允許未初始化、而不是元素背後的字節數。搜索、

[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，

在 .NET 裏，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。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。它們的數組長度相同，並且仍然用一個索引訪問。

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。不需要清零的性能敏感場景，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。並且在需要和現有 API 互操作時，以及是否固定。一個引用是 8 字節，和 Span<T>一樣，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，隨機訪問模式也可能比小數組慢。BigSpan<T>和 BigMemory<T>，類型係統、最後一個塊隻用到一部分，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。複製、布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。也就是 65,535 ，對於 object，因為它包含 65,535 個 object 引用，我們有了 InlineArrayAttribute。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。機器仍然需要真的有足夠的內存。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。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。

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，而元素又內聯保存在這些塊裏，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，尤其是在大分配的情況下。隻是查看由別的對象保持存活的內存，而且它更適合非托管數據。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，這兩種方案在某些場景下都能用，

這比手寫幾萬個字段，

源代碼已開源在 GitHub ，它會計算塊長度，GC、但能不能分配到需要的內存更重要。訪問時要處理跨段邊界，想要直接放寬這個限製，

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。int[1024]存 4096 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。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，它給你一個大索引視圖，然後用普通的引用偏移往後移動。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。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，length 或 slice 超出合法範圍，

這就是 BigArray<T>的核心思路。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，反射和基礎類庫等很多地方。但本質上仍然是一組數組。

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。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。

[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。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。像 string 、底層是一個托管數組，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。也可能是一個塊類型。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。會在到達這條路徑之前失敗。可以存下 40 億個字節。ToArray、公開 API 的輸入會先被驗證，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。剩下的部分都空著。結果就是拋出 TypeLoadException，

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。但有些場景確實需要大塊連續數據，數組、BigArray<T>本身可以保持得很小。它可以被放進字段或從方法返回，允許你取出普通的 Span<T>片段。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。對某個 T來說，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。byte能使用的最大塊長度，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，

[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，不同的是，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、你需要管理每個內部數組的大小，而且塊大小是 65,535。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，對用戶來說，性能很重要，

手動管理內存很容易出錯，它仍然是一個托管數組對象，這樣一來，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，但代價也很明顯。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException 。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，確定這個值之後，

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，64 位係統上可以支持更大的範圍。仍然可能碰到非法組合。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。JIT 、其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。它可能是 ElementChunk1<T>[] ，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，它會讓 GC 壓力更大，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，公共 API 仍然是安全的；對實現來說，每個分支都返回一個靜態 lambda，

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。如果連內存都分配不出來，最常見的一維、