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。因此不能依賴運行時代碼生成或反射 。這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。數組隻是編程模型的一部分 。搜索
、
- 能容納超過 20 億個元素
，
BigSpan 和 BigMemory
隻有持有存儲的類型還不夠
。這時最後一個塊隻使用 1 個字節 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]
，交錯數組避開了非托管內存，而塊大小是 4,095，
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 。而且塊大小是 65,535 。允許你取出普通的 Span<T>片段
。
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 ，從零開始的數組是 SZArray
，而不是元素背後的字節數 。
寫在最後
有了 BigArray<T> 、但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，它仍然是一個托管數組對象
，就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。如果 index
、再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T
。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 ，結果就是拋出 TypeLoadException，
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 ，它給你一個大索引視圖，排序、所以 BigArray<T>保持普通數組的限製
。BigArray<T>本身可以保持得很小 。長度是 nint ，
.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
。
類型加載
現在假設 T是 64 位運行時上的 object
。可以存下 40 億個字節 。
[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 ，類型係統 、ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。如果連內存都分配不出來 ，仍然可能碰到非法組合 。普通 .NET 代碼裏 ，nint本身無法表示更大的索引空間，Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖
。
會在到達這條路徑之前失敗 。BigArray
有了塊機製之後，我們有了 InlineArrayAttribute 。一個引用是 8 字節 ，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。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 。split 、對於 byte，
這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間？答案是會 ，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
，但代價也很明顯
。ToBigArray以及隻讀轉換
。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 。就會碰到 GC
、
在 .NET 裏 ，
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
。它們的數組長度相同
，後麵的優化也談不上
。分配選中的塊數組 ，反射和基礎類庫等很多地方 。複製 、
- 支持 NativeAOT
，隻有和當前
Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化 ，但數組元素類型不一定是 T本身 ，但能不能分配到需要的內存更重要 。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
。JIT 、不需要清零的性能敏感場景，可以寫成 ：
ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<byte>>>>
因為：
3 * 5 * 17 * 257 = 65535
因此 ，塊長度是：
65535 / Unsafe.SizeOf<T>()
所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，
[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，
[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 。準確地說是 127.998 TiB。
從 .NET 8 開始
，對用戶來說，以及是否固定 。
麻煩的地方在於 ，隻是每個元素變成了一小塊 。所以合法的塊長度是 8,191 ：
65535 / 8 = 8191
這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同。最常見的一維 、
- 支持
string和 object之類的引用類型。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 。隻是查看由別的對象保持存活的內存 ，避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查
。機器仍然需要真的有足夠的內存 。而且對任意 T來說也不一定合法 。索引也使用 nint 。但這個限製針對的是數組的元素個數 ，你需要管理每個內部數組的大小 ，
- 連續托管內存分配 。
構建塊類型
最直觀的實現，
它隻保存兩個東西 ：
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;
普通長度下
，就可以容納四個邏輯上的 T
。同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。它會計算塊長度，
- 由 GC 管理 ，但本質上仍然是一組數組 。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 、我們還會用 Span<T> 、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 ，集合 、
源代碼已開源在 GitHub ，塊結構體本身也可以組合 。
手動管理內存很容易出錯 ，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。尤其是在大分配的情況下。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度 ，它們記錄底層托管數組、數組數據區裏連續排列著塊結構體
，確定這個值之後
，比如邏輯長度是 10,000 ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，64 位係統上可以支持更大的範圍 。不同的是，
這就是 BigArray<T>的核心思路 。
有了這些塊類型之後 ，它可能是 ElementChunk1<T>[]
，更大的長度下 ，代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。數組、
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
、而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining 。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 ，它會讓 GC 壓力更大 ，剩下的部分都空著
。
struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}
一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，這兩種方案在某些場景下都能用，然後用普通的引用偏移往後移動 。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。ToArray 、然後實現使用引用偏移 ，跨過一個塊到下一個塊
，
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
，
這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。是否允許未初始化 、分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度 ，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，但仍然不少
。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說
，ReadOnlySpan<T>
、JIT 、拿到第一個數據引用之後
，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，而且它更適合非托管數據 。
BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。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。它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T> 。那麽實現會分配 3 個物理塊 。但它隻藏在實現內部 。每個分支都返回一個靜態 lambda ，並且仍然用一個索引訪問 。這樣的類型不能被加載 ，最後隻需要 85 個基礎塊類型：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>。對某個 T來說
，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載 。也就是 65,535 ，像 string
、用戶不需要手動釋放內存 。它的長度受 int大小限製 。但最後以 "won't fix" 關閉
，訪問時要處理跨段邊界
，大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。object這樣的引用類型就不適合這個方向
。最後隻調用這個分配器 。底層是一個托管數組，但有些場景確實需要大塊連續數據 ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。
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。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
。
分配器來自一個針對塊長度的 switch。真正的邏輯終點由 _length記錄。length 或 slice 超出合法範圍 ，byte能使用的最大塊長度
，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，隨機訪問模式也可能比小數組慢 。trim 、類型係統 、和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。最大長度會隨塊大小增長 。其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，
常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存 ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。隻是每個元素更大。
