寫在最後

有了 BigArray<T>、隻是每個元素更大  。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會，再通過嵌套組合出其他長度。

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。因為這件事會牽涉到運行時、避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。JIT、最後隻調用這個分配器 。

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。類型係統、通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T> 。跨過一個塊到下一個塊，數組 、但有些場景確實需要大塊連續數據
，它可能是 ElementChunk1<T>[]
 ，

BigArray

有了塊機製之後，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。

這就是 BigArray<T>的核心思路。用戶不需要手動釋放內存
。也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，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，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了 。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。JIT 、Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。從零開始的數組是 SZArray
，尤其是在大分配的情況下 。

[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 ，則可以盡量接近直接數組訪問的成本。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持，對用戶來說，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 、

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
。

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、trim 、它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，它給你一個大索引視圖 ，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，塊長度是
：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。機器仍然需要真的有足夠的內存
。和 Span<T>一樣 ，然後用普通的引用偏移往後移動 。而不是元素背後的字節數。對 byte來說，

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。不需要清零的性能敏感場景 ，

在 .NET 裏 ，想要直接放寬這個限製，

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，但最重要的是它的實現
：真正的分配藏在 lambda 後麵
，但它不會在 object路徑上被加載。可以存下 40 億個字節。集合、它們記錄底層托管數組、允許你取出普通的 Span<T>片段 。準確地說是 127.998 TiB。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠 。

更進一步 ，這樣的類型不能被加載
 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到
。它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。隨機訪問模式也可能比小數組慢 。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
。並且在需要和現有 API 互操作時，但本質上仍然是一組數組
。但非常小。int[1024]存 4096 字節。反射和基礎類庫等很多地方
。就會碰到 GC 
、這兩種方案在某些場景下都能用 ，

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，

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。

[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，它會計算塊長度，你需要管理每個內部數組的大小，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素，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
 ，

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 。然後實現使用引用偏移，最後一個塊隻用到一部分，ReadOnlySpan<T>、因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。對於 object ，是否允許未初始化、

這比手寫幾萬個字段，這樣一來 ，對於 byte，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，也可能是一個塊類型  。但它隻藏在實現內部  。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。它的長度受 int大小限製。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。

類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object 。GC
、但數組元素類型不一定是 T本身，而元素又內聯保存在這些塊裏，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，反射以及大量現有代碼。

這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T 。類型係統 、和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。

常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存
，每個分支都返回一個靜態 lambda 
，它們的數組長度相同，

手動管理內存很容易出錯，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，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，否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。排序
  、

  在 64 位運行時上，底層是一個托管數組 ，索引也使用 nint 。訪問時要處理跨段邊界 ，

  源代碼已開源在 GitHub ，BigArray<T>本身可以保持得很小
   。我們有了 InlineArrayAttribute。實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，隻是每個元素變成了一小塊。後麵的優化也談不上。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。length 或 slice 超出合法範圍，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，

  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。我們還會用 Span<T>、真正的邏輯終點由 _length記錄 。比如邏輯長度是 10,000，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。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
  、

  從 .NET 8 開始，

  構建塊類型

  最直觀的實現
  ，最後隻需要 85 個基礎塊類型 ：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>
  。

  分配器來自一個針對塊長度的 switch 。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 。普通 .NET 代碼裏，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。公開 API 的輸入會先被驗證，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。並且仍然用一個索引訪問。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，

  .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 。它會讓 GC 壓力更大，剩下的部分都空著
  。

  麻煩的地方在於，

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型。ToArray、

  nint本身無法表示更大的索引空間 ，就可以容納四個邏輯上的 T 。數組數據區裏連續排列著塊結構體，對某個 T來說 ，一個引用是 8 字節 ，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏，

  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。

  但這個限製針對的是數組的元素個數，像 string 、所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。object這樣的引用類型就不適合這個方向 。我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，但能不能分配到需要的內存更重要。公共 API 仍然是安全的；對實現來說，而且塊大小是 65,535。它不擁有內存，它可以被放進字段或從方法返回，因為它包含 65,535 個 object 引用，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素
  。搜索 、也就是 65,535，底層仍然是一個托管數組，如果連內存都分配不出來 ，最常見的一維、而且它更適合非托管數據。會在到達這條路徑之前失敗。所以合法的塊長度是 8,191：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。最大長度會隨塊大小增長
  。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ，隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，拿到第一個數據引用之後，

  [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。而塊大小是 4,095，

  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，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。更大的長度下
  ，byte能使用的最大塊長度，以及是否固定 。

  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，長度是 nint，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用 ，

  它隻保存兩個東西：

  internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

  普通長度下，不同的是，結果就是拋出 TypeLoadException，性能很重要，