托管數建超大在 組 上構

BigSpan<T>是上数组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 。它的构建長度受 int大小限製
。最後隻調用這個分配器。托管作為數組元素的上数组值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節。它會分配一個 ElementChunk1<T>[] ，构建

數據引用是托管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。則可以盡量接近直接數組訪問的上数组成本。避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查 。构建一個 FourElements<T>數組的托管每個物理元素，我們可以隻保留一組質數長度的上数组基礎塊類型，但能不能分配到需要的构建內存更重要 。而元素又內聯保存在這些塊裏，托管

nint offset = (nint)5_000_000_000L;Span<byte> window = buffer.AsSpan(offset,上数组 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  ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多 。构建

在 64 位運行時上 ，托管

但這個限製針對的是數組的元素個數 ，反射以及大量現有代碼。公開 API 的輸入會先被驗證 ，對用戶來說，確定這個值之後，隻是每個元素變成了一小塊。

BigArray<byte> buffer = new((nint)Array.MaxLength + 1024);BigSpan<byte> span = buffer.AsBigSpan();span[Array.MaxLength] = 42;

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

using System.Runtime.CompilerServices;[InlineArray(4)]struct FourBytes{     private byte _first;}

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];}

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;}

public static nint MaxLength =>    nint.Size == 4 ? Array.MaxLength : GetChunkLength() * (nint)Array.MaxLength;

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

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

BigMemory<byte> page = buffer.AsBigMemory(1024, 4096);page.Span.Fill(0);

基本思路

在 .NET 中
，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。但數組元素類型不一定是 T本身，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。交錯數組避開了非托管內存 ，而不是元素背後的字節數。JIT 、

[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。Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素。但它隻藏在實現內部 。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型
。

麻煩的地方在於，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，如果連內存都分配不出來，像 string、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，

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 ，但仍然不少
。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。搜索、大小為 8 字節的類型可以使用 8,191 。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
，並且在需要和現有 API 互操作時，

[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  ，這樣的類型不能被加載 ，數組隻是編程模型的一部分。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。ToBigArray以及隻讀轉換 。它們記錄底層托管數組、ReadOnlySpan<T>、最後一個塊隻用到一部分，

手動管理內存很容易出錯，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。跨過一個塊到下一個塊，如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，排序、代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。是否允許未初始化、塊長度是 ：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。對 byte來說
，可以存下 40 億個字節 
。不同的是，它給你一個大索引視圖  ，所以合法的塊長度是 8,191：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。分配選中的塊數組，每個分支都返回一個靜態 lambda ，長度是 nint ，比如邏輯長度是 10,000，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。類型係統 、也就是 65,535，對於 byte ，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、機器仍然需要真的有足夠的內存 。隻是查看由別的對象保持存活的內存，這時最後一個塊隻使用 1 個字節
，然後用普通的引用偏移往後移動 。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，而塊大小是 4,095  ，訪問時要處理跨段邊界，反射和基礎類庫等很多地方 。也可能是 ElementChunk8191<T>[]，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。大約是 Array.MaxLength * 8191 。而且塊大小是 65,535。但代價也很明顯。它會計算塊長度，

.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
。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。拿到第一個數據引用之後，然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，

構建塊類型

最直觀的實現 ，

BigArray

有了塊機製之後
，

這比手寫幾萬個字段，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素  ，

  [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 ，而且對任意 T來說也不一定合法。也就是 6 個邏輯 T。

  這就是 BigArray<T>的核心思路。

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

  一個包含 20 億個 TwoBytes的數組，如果隻是想使用的話可以從 NuGet 引用包來使用
  。允許你取出普通的 Span<T>片段。和 Span<T>一樣，公共 API 仍然是安全的；對實現來說 ，性能很重要
  ，最大長度會隨塊大小增長
  。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，一個引用是 8 字節，它不擁有內存，這樣一來，

  從 .NET 8 開始，我們有了 InlineArrayAttribute
  。

  這也是為什麽 _storage的類型是 Array：實際運行時類型取決於 T。就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。也就是 T[]。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，

• 支持 string和 object之類的引用類型 。普通 .NET 代碼裏，布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[]。真正的邏輯終點由 _length記錄。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，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，也可能是一個塊類型 。不需要清零的性能敏感場景，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。

  常見的解決辦法大概有兩類：一類是分配非托管內存 ，

  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。

最新评论