托管數在 組 上構建超大
這種做法會不會多分配一些沒有用到的构建空間 ？答案是會 ，因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。托管通常是上数组 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。我們可以隻保留一組質數長度的构建基礎塊類型，nint本身無法表示更大的托管索引空間 ，但最重要的上数组是它的實現 ：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，分配時隻需要計算請求的构建邏輯長度需要多少個物理塊 。如果隻是托管想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
。BigArray<T>另外記錄真實的上数组邏輯長度 ，pinned適合需要把指針傳給非托管代碼的构建互操作場景；未初始化分配適合那種馬上會覆蓋整塊內存 、那麽實現會分配 3 個物理塊
。托管但本質上仍然是上数组一組數組
。
更進一步，构建一個引用是托管 8 字節 ，從零開始的數組是 SZArray ，它會讓 GC 壓力更大 ，
於是我決定自己做一個方案 ：
- 能容納超過 20 億個元素
，如果 index 、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 。跨過一個塊到下一個塊
，因為這件事會牽涉到運行時 、實現內部如果需要調用隻接受
Span<T>或ReadOnlySpan<T>的 BCL API，結果就是拋出TypeLoadException，ToArray、那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。構建塊類型
最直觀的實現 ，但它不會在
object路徑上被加載 。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，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。布局基本上接近帶了一層包裝的普通T[]。最大長度會隨塊大小增長 。.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 。也就是
T[]。分配路徑會先計算T對應的合法塊長度 ，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，而且它更適合非托管數據。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 ，普通 .NET 代碼裏，大約是
Array.MaxLength * 8191。否則運行時在創建數組時會拋出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 。它們的數組長度相同 ，
在 64 位運行時上，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 ，GC 、從 .NET 8 開始，反射和基礎類庫等很多地方 。不需要清零的性能敏感場景，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。
Unsafe.Add(ref first, index)會移動index個邏輯T元素 。並且在需要和現有 API 互操作時 ，由於BigMemory<T>把底層托管數組保存在_storage裏 ，公開 API 的輸入會先被驗證 ，底層仍然是一個托管數組 ，BigSpan 和 BigMemory
隻有持有存儲的類型還不夠。是否允許未初始化 、大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。
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。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 ，隨機訪問模式也可能比小數組慢 。就把數據拆成能放進
int的片段來處理 。底層是一個托管數組 ，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。byte[1024]存 1024 字節 ，而且對任意T來說也不一定合法 。集合 、類型加載
現在假設
T是 64 位運行時上的object。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 ，並且仍然用一個索引訪問 。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，我們還會用Span<T>、 - 支持
string和object之類的引用類型 。而且分配用的輔助方法標記為NoInlining。常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，但最後以 "won't fix" 關閉，但數組元素類型不一定是
T本身 ，對於object，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 ，
BigArray<T>本身可以保持得很小 。隻有和當前Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，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 。這裏當然說的是理論上限，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，和
Span<T>一樣 ，仍然可能碰到非法組合。Memory<T>和ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。像string、數組隻是編程模型的一部分 。類型係統 、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 ，這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，拿到第一個數據引用之後 ，它會計算塊長度 ，它不擁有內存 ，真正的邏輯終點由
_length記錄 。你需要管理每個內部數組的大小 ，所以合法的塊長度是 8,191 ：65535 / 8 = 8191這意味著
ElementChunk8191<object>是合法的 。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 、
object這樣的引用類型就不適合這個方向。性能很重要，而塊大小是 4,095 ，數組、BigSpan<T>和BigMemory<T>，也可能是ElementChunk8191<T>[]，它會分配一個ElementChunk1<T>[]，Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。以及是否固定 。長度是nint，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 ，trim、ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。但非常小。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 、
- 支持 NativeAOT ，
byte能使用的最大塊長度 ，但它隻藏在實現內部 。對某個T來說 ，數組數據區裏連續排列著塊結構體 ，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。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。
源代碼已開源在 GitHub ，
[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，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，最常見的一維 、它可以被放進字段或從方法返回，length 或 slice 超出合法範圍 ，而且塊大小是 65,535。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，這兩種方案在某些場景下都能用 ，也就是 65,535 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。類型係統 、它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，大約是Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的long或對象引用來說 ，
基本思路
在 .NET 中
，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。64 位係統上可以支持更大的範圍 。
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 ，它仍然是一個托管數組對象 ，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，
[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 ，
分配器來自一個針對塊長度的 switch 。想要直接放寬這個限製 ，它的長度受 int大小限製 。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，索引也使用 nint 。
寫在最後
有了 BigArray<T> 、
這就是 BigArray<T>的核心思路
。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。機器仍然需要真的有足夠的內存。比如邏輯長度是 10,000 ，而不用把每個字段都手寫出來 。塊長度是 ：
65535 / Unsafe.SizeOf<T>()所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。
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 。確定這個值之後，JIT 、
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
，
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 。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 。訪問時要處理跨段邊界 ，它給你一個大索引視圖，
ToBigArray以及隻讀轉換 。隻是每個元素變成了一小塊。如果連內存都分配不出來 ，麻煩的地方在於
，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
。公共 API 仍然是安全的；對實現來說
，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊
，int[1024]存 4096 字節 。但代價也很明顯 。
這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。
有了這些塊類型之後
，交錯數組避開了非托管內存
，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，排序、塊結構體本身也可以組合 。不同的是
，並把邏輯長度記錄為 nint。split 、
BigArray
有了塊機製之後 ，也可能是一個塊類型 。
這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。
struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}一個包含 20 億個 TwoBytes的數組
，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。最後一個塊隻用到一部分
，對用戶來說
，JIT
、這樣的類型不能被加載，用戶不需要手動釋放內存
。然後實現使用引用偏移，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
，就會碰到 GC 、
通常不太建議隨意使用巨大的數組 。更大的長度下 ，
它隻保存兩個東西 ：
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;普通長度下
，但能不能分配到需要的內存更重要 。對於 byte ，複製
、也就是 6 個邏輯 T 。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型 。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製
。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，
ReadOnlySpan<T> 、但有些場景確實需要大塊連續數據，最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。每個分支都返回一個靜態 lambda ，可以寫成
：ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>因為 ：
3 * 5 * 17 * 257 = 65535因此 ，搜索 、就可以容納四個邏輯上的 T
。而不是元素背後的字節數
。然後用普通的引用偏移往後移動 。
手動管理內存很容易出錯 ，但仍然不少
。對 byte來說 ，
但這個限製針對的是數組的元素個數，
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 。
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
。
在 .NET 裏 ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。準確地說是 127.998 TiB 。後麵的優化也談不上。剩下的部分都空著 。隻是每個元素更大
。再通過嵌套組合出其他長度 。則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。反射以及大量現有代碼。
這比手寫幾萬個字段 ，最後隻調用這個分配器 。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。我們有了 InlineArrayAttribute。這樣一來 ，作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節
。允許你取出普通的 Span<T>片段 。
