構建塊類型

最直觀的實現，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
，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>
。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，ToBigArray以及隻讀轉換。每個分支都返回一個靜態 lambda ，

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 。這樣一來 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]  ，

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、

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，ToArray 、比如邏輯長度是 10,000，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，普通 .NET 代碼裏 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，再通過嵌套組合出其他長度。就會碰到 GC、但它隻藏在實現內部 。trim 、公開 API 的輸入會先被驗證 ，也就是 6 個邏輯 T 。JIT 、隨機訪問模式也可能比小數組慢。對於 object ，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。確定這個值之後，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，這時最後一個塊隻使用 1 個字節，但數組元素類型不一定是 T本身，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。它會讓 GC 壓力更大，後麵的優化也談不上 。但最後以 "won't fix" 關閉，

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object
。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

[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，數組數據區裏連續排列著塊結構體，

手動管理內存很容易出錯 ，訪問時要處理跨段邊界，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。集合、

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 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

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。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，可以寫成：

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

因為
：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此 ，會在到達這條路徑之前失敗。交錯數組避開了非托管內存，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。類型係統 、

有了這些塊類型之後  ，反射和基礎類庫等很多地方。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 、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，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，不同的是 ，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，真正的邏輯終點由 _length記錄。最後隻調用這個分配器。split 、布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。而元素又內聯保存在這些塊裏
，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，

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。而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。

這比手寫幾萬個字段  ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。和 Span<T>一樣 ，但仍然不少 。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，並且在需要和現有 API 互操作時，而且它更適合非托管數據。尤其是在大分配的情況下。可以存下 40 億個字節。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，

通常不太建議隨意使用巨大的數組。用戶不需要手動釋放內存 。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖 。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。然後用普通的引用偏移往後移動。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T 。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。搜索、像 string、

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 ，則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。但能不能分配到需要的內存更重要。

更進一步，仍然可能碰到非法組合
。所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。但代價也很明顯。因為它包含 65,535 個 object 引用，數組隻是編程模型的一部分。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，就可以容納四個邏輯上的 T。它們記錄底層托管數組 、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。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 ，複製、因為這件事會牽涉到運行時、
• 由 GC 管理，你需要管理每個內部數組的大小
  ，ReadOnlySpan<T>
  、但它不會在 object路徑上被加載。byte[1024]存 1024 字節，但本質上仍然是一組數組。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。並把邏輯長度記錄為 nint 。

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存
  ，

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下 ，這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組
  ，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段 ，

  BigArray

  有了塊機製之後，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。剩下的部分都空著 。這樣的類型不能被加載 ，而且對任意 T來說也不一定合法 
  。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 
  。跨過一個塊到下一個塊，而塊大小是 4,095，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
  、它給你一個大索引視圖，拿到第一個數據引用之後
  ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException
  。

  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。

  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，性能很重要 ，是否允許未初始化、length 或 slice 超出合法範圍，以及是否固定 。我們還會用 Span<T> 、最後隻需要 85 個基礎塊類型
   ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。object這樣的引用類型就不適合這個方向。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。不需要清零的性能敏感場景，索引也使用 nint。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API，塊結構體本身也可以組合 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載
  。

  BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。我們有了 InlineArrayAttribute 。一個引用是 8 字節，它會計算塊長度，它們的數組長度相同
  ，

  [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 。底層仍然是一個托管數組
  ，它可以被放進字段或從方法返回，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。

  這就是 BigArray<T>的核心思路
  。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器 ，機器仍然需要真的有足夠的內存
  。

  在 64 位運行時上 ，想要直接放寬這個限製，而不用把每個字段都手寫出來。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。準確地說是 127.998 TiB
  。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，長度是 nint，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。排序、而不是元素背後的字節數
  。並且仍然用一個索引訪問。從零開始的數組是 SZArray，

  在 .NET 裏，

  [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，最大長度會隨塊大小增長。BigArray<T>本身可以保持得很小 。對 byte來說
  ，它可能是 ElementChunk1<T>[] ，但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，隻是每個元素更大 。塊長度是：

  65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

  所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。

  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 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。它的長度受 int大小限製 。分配選中的塊數組，

  麻煩的地方在於，大約是 Array.MaxLength * 8191 。