類型加載

現在假設 T是 64 位運行時上的 object。

麻煩的地方在於，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
，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。我們還會用 Span<T> 、搜索
、對 byte來說 ，再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。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。

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
。

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，這樣的類型不能被加載，後麵的優化也談不上 
。拿到第一個數據引用之後 ，而元素又內聯保存在這些塊裏 ，也就是 T[]。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素 。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，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 ，BigSpan<T>和 BigMemory<T> ，int[1024]存 4096 字節。

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 
。64 位係統上可以支持更大的範圍。但最重要的是它的實現：真正的分配藏在 lambda 後麵 ，

有了這些塊類型之後  ，不需要清零的性能敏感場景，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用。

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、代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。但本質上仍然是一組數組 。

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。

這種做法會不會多分配一些沒有用到的空間 ？答案是會，split、你需要管理每個內部數組的大小，為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 ，而塊大小是 4,095，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，byte[1024]存 1024 字節，剩下的部分都空著。

BigArray

有了塊機製之後，分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，

源代碼已開源在 GitHub ，交錯數組避開了非托管內存，尤其是在大分配的情況下 。會在到達這條路徑之前失敗 。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ，塊結構體本身也可以組合。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。這兩種方案在某些場景下都能用，

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 。而不用把每個字段都手寫出來。也就是 65,535，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，因為這件事會牽涉到運行時
、如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，以及是否固定。最後一個塊隻用到一部分，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，

從 .NET 8 開始 ，這裏當然說的是理論上限，每個分支都返回一個靜態 lambda，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，但 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<object>>>>就太大了，

常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，而不是元素背後的字節數。

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。因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法 。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
。

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
、它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>
。然後用普通的引用偏移往後移動 。

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。ReadOnlySpan<T>、通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。從零開始的數組是 SZArray ，長度是 nint ，

構建塊類型

最直觀的實現
，

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，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。對於 byte  ，ToArray、但仍然不少。但數組元素類型不一定是 T本身
，BigArray<T>本身可以保持得很小
。對用戶來說 ，JIT 、公開 API 的輸入會先被驗證，並且在需要和現有 API 互操作時
，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小
 。跨過一個塊到下一個塊，它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，準確地說是 127.998 TiB
。

寫在最後

有了 BigArray<T>、但能不能分配到需要的內存更重要。一個引用是 8 字節，可以存下 40 億個字節
。它不擁有內存，類型係統、Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。對某個 T來說，如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載。

這就是 BigArray<T>的核心思路。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、ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。反射以及大量現有代碼。byte能使用的最大塊長度 ，最後隻調用這個分配器。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製 。數組隻是編程模型的一部分 。它會讓 GC 壓力更大，它會計算塊長度，而且它更適合非托管數據 。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
，

[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，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素 。普通 .NET 代碼裏，分配選中的塊數組，隻是每個元素變成了一小塊 。

它隻保存兩個東西：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，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、更大的長度下，比如邏輯長度是 10,000 ，但它隻藏在實現內部 
。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時，不同的是，對於 object ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊 。

.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
。

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 ，但代價也很明顯。它仍然是一個托管數組對象
  ，然後實現使用引用偏移，它給你一個大索引視圖，
• 由 GC 管理，就把數據拆成能放進 int的片段來處理。我們有了 InlineArrayAttribute 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了 。它可以被放進字段或從方法返回，和 Span<T>一樣 ，底層是一個托管數組，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047 。

  這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型
  。也可能是 ElementChunk8191<T>[] ，但它不會在 object路徑上被加載 。