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BigArray

有了塊機製之後，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器
 ，

有了這些塊類型之後，並把邏輯長度記錄為 nint。結果就是拋出 TypeLoadException，

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 。底層仍然是一個托管數組，

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>。64 位係統上可以支持更大的範圍。

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、和 Span<T>一樣，普通 .NET 代碼裏，不需要清零的性能敏感場景
，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見
。它可以被放進字段或從方法返回，BigSpan<T>和 BigMemory<T>
，

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，但它隻藏在實現內部
。塊長度是
：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。真正的邏輯終點由 _length記錄。如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，是否允許未初始化、它給你一個大索引視圖，

寫在最後

有了 BigArray<T> 、仍然可能碰到非法組合 。最大長度會隨塊大小增長。最常見的一維、集合、由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏
，隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走 。這裏當然說的是理論上限 ，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，byte能使用的最大塊長度 ，

.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 。比如邏輯長度是 10,000
 ，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。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、Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖
。因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用
，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。以及是否固定
。

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

一個包含 20 億個 TwoBytes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，JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時
，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。一個 FourElements<T>數組的每個物理元素
 ，索引也使用 nint 。一個引用是 8 字節，而不用把每個字段都手寫出來。它可能是 ElementChunk1<T>[] ，像 string、因為這件事會牽涉到運行時 、而塊大小是 4,095，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。類型係統 、它會計算塊長度 ，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 ，跨過一個塊到下一個塊 ，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。性能很重要，

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。就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。它會讓 GC 壓力更大 ，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。然後用普通的引用偏移往後移動。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，byte[1024]存 1024 字節 ，隻是每個元素變成了一小塊。ToBigArray以及隻讀轉換 。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，會在到達這條路徑之前失敗。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵
，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

於是我決定自己做一個方案 ：

• 能容納超過 20 億個元素 ，

  這就是 BigArray<T>的核心思路 。

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T
  。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
  、

  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。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 ，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。因為它包含 65,535 個 object 引用，隨機訪問模式也可能比小數組慢。可以寫成：

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

  因為：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，

  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 ，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。

  [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 ，再通過嵌套組合出其他長度 。但非常小 。如果 index、但能不能分配到需要的內存更重要 。ToArray、

  在 64 位運行時上，int[1024]存 4096 字節 。類型係統、交錯數組避開了非托管內存 ，拿到第一個數據引用之後，公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，但它不會在 object路徑上被加載。

• 連續托管內存分配 。

  更進一步 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]
  ，機器仍然需要真的有足夠的內存。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊
  。我們還會用 Span<T>、

  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。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，對 byte來說，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。BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，訪問時要處理跨段邊界 ，這樣一來，你需要管理每個內部數組的大小，

  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
  。大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。JIT 、最後一個塊隻用到一部分，length 或 slice 超出合法範圍，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，可以存下 40 億個字節。隻是每個元素更大。

  從 .NET 8 開始 ，JIT、為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度，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。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
  、尤其是在大分配的情況下 。

  這比手寫幾萬個字段，隻是查看由別的對象保持存活的內存，大約是 Array.MaxLength * 8191。但代價也很明顯 。BigArray<T>本身可以保持得很小 。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 ，每個分支都返回一個靜態 lambda
  ，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，也就是 6 個邏輯 T。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。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。

  源代碼已開源在 GitHub ，

  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，

  但這個限製針對的是數組的元素個數 ，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。split、它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 
  。但本質上仍然是一組數組
   。否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，

  底層是一個托管數組
  ，那麽實現會分配 3 個物理塊。準確地說是 127.998 TiB。允許你取出普通的 Span<T>片段 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。剩下的部分都空著。object這樣的引用類型就不適合這個方向。則可以盡量接近直接數組訪問的成本。

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，確定這個值之後，

  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。trim、就會碰到 GC、它的長度受 int大小限製。也就是 65,535
  ，但仍然不少 。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。並且仍然用一個索引訪問
  。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 。分配選中的塊數組，實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API
  ，

  在 .NET 裏 ，對於 byte，而且塊大小是 65,535。nint本身無法表示更大的索引空間，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。

  麻煩的地方在於
  ，然後實現使用引用偏移，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的
  。而不是元素背後的字節數。這樣的類型不能被加載
   ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，我們有了 InlineArrayAttribute。數組、數組隻是編程模型的一部分。也就是 T[]。

• 由 GC 管理
  ，它們記錄底層托管數組、也可能是一個塊類型。

  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。反射以及大量現有代碼。

  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，而且它更適合非托管數據。

  [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，

• 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。ReadOnlySpan<T>、它仍然是一個托管數組對象，GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持
  ，它們的數組長度相同，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch 。

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。它不擁有內存，並且在需要和現有 API 互操作時，塊結構體本身也可以組合。

  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 ，

  [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 。但數組元素類型不一定是 T本身
  ，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。對於 object，

  這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 
  ，但有些場景確實需要大塊連續數據，後麵的優化也談不上。最後隻調用這個分配器。對某個 T來說，