在 64 位運行時上 ，托管像 string、上数组隻是构建每個元素變成了一小塊 。每個分支都返回一個靜態 lambda
，托管JIT、

.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。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 ，通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>
。ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。再通過嵌套組合出其他長度。從零開始的數組是 SZArray
，類型係統 、而塊大小是 4,095，我們有了 InlineArrayAttribute
。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510，這兩種方案在某些場景下都能用  ，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array
：實際運行時類型取決於 T
 。最後隻調用這個分配器。想要直接放寬這個限製，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 ，它們記錄底層托管數組 、大約是 Array.MaxLength * 8191 。最後隻需要 85 個基礎塊類型
：從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>
。數組數據區裏連續排列著塊結構體，nint本身無法表示更大的索引空間 ，

BigArray

有了塊機製之後
，GC、

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。反射以及大量現有代碼。仍然可能碰到非法組合 。

[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。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 。底層是一個托管數組 ，隻是查看由別的對象保持存活的內存  ，這樣一來，

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素
。底層仍然是一個托管數組
，則可以盡量接近直接數組訪問的成本。最大長度會隨塊大小增長。再把這些塊裏的數據看成一段連續的 T。塊長度是：

65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度。我們還會用 Span<T> 、反射和基礎類庫等很多地方。對於 byte，

源代碼已開源在 GitHub ，大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說，

於是我決定自己做一個方案：

• 能容納超過 20 億個元素 
  ，不同的是，這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小。對 byte來說，一個引用是 8 字節，因為它包含 65,535 個 object 引用 ，所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。為了覆蓋 1 到 65,535 之間需要的塊長度 
  ，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。然後從 switch 裏拿到這個塊長度對應的分配器，

  麻煩的地方在於
  ，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多
  。分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號 。如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊，可以存下 40 億個字節 。

  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。這時最後一個塊隻使用 1 個字節，那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。尤其是在大分配的情況下 。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，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。

  常見的解決辦法大概有兩類 ：一類是分配非托管內存，長度是 nint ，而不用把每個字段都手寫出來。因此不能依賴運行時代碼生成或反射。隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，

  分配器來自一個針對塊長度的 switch。

  構建塊類型

  最直觀的實現
  ，公開 API 的輸入會先被驗證 ，準確地說是 127.998 TiB。對某個 T來說 ，就把數據拆成能放進 int的片段來處理
  。ToBigArray以及隻讀轉換 。因為這件事會牽涉到運行時、實現內部如果需要調用隻接受 Span<T>或 ReadOnlySpan<T>的 BCL API ，它仍然是一個托管數組對象 ，64 位係統上可以支持更大的範圍 。然後實現使用引用偏移 ，

  但這個限製針對的是數組的元素個數，如果 index、GitHub 上曾經有一個很長的 issue 討論 64 位數組支持 ，但非常小 。length 或 slice 超出合法範圍，

  在 .NET 裏 ，它會分配一個 ElementChunk1<T>[]，它可以被放進字段或從方法返回
  ，

  寫在最後

  有了 BigArray<T> 、

  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 。它的長度受 int大小限製。那麽實現會分配 3 個物理塊 。也可能是一個塊類型 。但本質上仍然是一組數組。

  有了這些塊類型之後，byte能使用的最大塊長度，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，並把邏輯長度記錄為 nint 。確定這個值之後，不需要清零的性能敏感場景，它可以防止未選中的塊數組類型被提前加載
  。

  更進一步，

  這就是 BigArray<T>的核心思路。

  BigSpan 和 BigMemory

  隻有持有存儲的類型還不夠。Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的 。就可以容納四個邏輯上的 T。也就是 6 個邏輯 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 ，並且仍然用一個索引訪問。剩下的部分都空著 。是否允許未初始化 、

  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 ，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度
  ，

  手動管理內存很容易出錯 ，機器仍然需要真的有足夠的內存。和 Span<T>一樣，其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到。

  而且對任意 T來說也不一定合法 。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型
  。這樣的類型不能被加載，就會碰到 GC、公共 API 仍然是安全的；對實現來說，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，

  [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，最後一個塊隻用到一部分，性能很重要，但數組元素類型不一定是 T本身，所以合法的塊長度是 8,191 ：

  65535 / 8 = 8191

  這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的 。比如邏輯長度是 10,000，它會讓 GC 壓力更大
  ，但有些場景確實需要大塊連續數據，最常見的一維
  、但仍然不少
  。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 。由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，數組 、後麵的優化也談不上。ReadOnlySpan<T> 、可以寫成：

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

  因為 ：

  3 * 5 * 17 * 257 = 65535

  因此，真正的邏輯終點由 _length記錄
  。你需要管理每個內部數組的大小，它給你一個大索引視圖 ，但代價也很明顯
  。數組隻是編程模型的一部分
  。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時 ，它可能是 ElementChunk1<T>[]，int[1024]存 4096 字節。交錯數組避開了非托管內存 ，

  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、而不是元素背後的字節數。允許你取出普通的 Span<T>片段
  。分配選中的塊數組，但它不會在 object路徑上被加載
  。

  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。

• 連續托管內存分配。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(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 NativeAOT，和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。搜索、

  通常不太建議隨意使用巨大的數組。

• 支持 string和 object之類的引用類型 。JIT
  、它會計算塊長度
  ，