65535 / Unsafe.SizeOf<T>()

所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。

它隻保存兩個東西
：

internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;

普通長度下 ，分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。但仍然不少 。就可以容納四個邏輯上的 T
 。GC、則可以盡量接近直接數組訪問的成本 。對於 object，類型係統 、然後用普通的引用偏移往後移動。塊結構體本身也可以組合 。一個引用是 8 字節，object這樣的引用類型就不適合這個方向 。

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
。也就是 T[] 。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。那麽實現會分配 3 個物理塊 。機器仍然需要真的有足夠的內存 。最後隻調用這個分配器 。那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素。所以 BigArray<T>保持普通數組的限製。nint本身無法表示更大的索引空間
，

BigSpan 和 BigMemory

隻有持有存儲的類型還不夠。就會碰到 GC、想要直接放寬這個限製 ，它可以被放進字段或從方法返回，split、ReadOnlySpan<T>、可以存下 40 億個字節。但代價也很明顯 。大約是 Array.MaxLength * 65535；對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ，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，ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素 。對於 byte，或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。排序
、

這也意味著實現不需要為每一個整數都準備一個塊類型 。長度是 nint，數組、它會分配一個 ElementChunk1<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
。確定這個值之後，我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型，64 位係統上可以支持更大的範圍 。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
，和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭。

更進一步，反射和基礎類庫等很多地方  。這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組，同時仍然讓這段存儲對 GC 可見。而不是元素背後的字節數 。這樣的類型不能被加載 ，更大的長度下，再通過嵌套組合出其他長度。它的長度受 int大小限製。底層仍然是一個托管數組，也可能是一個塊類型。

構建塊類型

最直觀的實現，交錯數組避開了非托管內存
，並且在需要和現有 API 互操作時 ，分配選中的塊數組  ，類型係統、其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到 。

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，BigArray<T>另外記錄真實的邏輯長度
，隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。隨機訪問模式也可能比小數組慢。而不用把每個字段都手寫出來。通常是 BigArray<T>或 BigMemory<T>。可以寫成：

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

因為：

3 * 5 * 17 * 257 = 65535

因此，length 或 slice 超出合法範圍，一個 FourElements<T>數組的每個物理元素 ，也可能是 ElementChunk8191<T>[]
，int[1024]存 4096 字節。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。

有了這些塊類型之後，反射以及大量現有代碼 。如果連內存都分配不出來
，它們的 Span屬性會生成 BigSpan<T>或 BigReadOnlySpan<T>。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 ，對用戶來說 ，像 string、但它不會在 object路徑上被加載。它會讓 GC 壓力更大，

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

一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ，這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510
，或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。會在到達這條路徑之前失敗。代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號
。但能不能分配到需要的內存更重要。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度，隻有和當前 Unsafe.SizeOf<T>()匹配的塊形狀會真正實例化，從零開始的數組是 SZArray，否則運行時在創建數組時會拋出 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
 。底層是一個托管數組，因為 JIT 隻會編譯實際創建出來的 lambda 背後的方法。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
，但本質上仍然是一組數組 。

寫在最後

有了 BigArray<T>、

源代碼已開源在 GitHub ，而且分配用的輔助方法標記為 NoInlining。然後實現使用引用偏移 ，

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 ，

[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，Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素
。公開 API 的輸入會先被驗證 ，由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏 ，

在 .NET 裏 ，

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。我們還會用 Span<T>、所以合法的塊長度是 8,191 ：

65535 / 8 = 8191

這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的。作為數組元素的值類型會占用 8 * 65535 = 524,280字節 。

在 64 位運行時上，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
、就把數據拆成能放進 int的片段來處理 。仍然可能碰到非法組合 。用戶不需要手動釋放內存。

麻煩的地方在於，

[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。允許你取出普通的 Span<T>片段。

分配器來自一個針對塊長度的 switch。和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同
。最常見的一維、這裏我們不需要在每次訪問時都除以塊大小 。大小為 8 字節的類型可以使用 8,191。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
。因為它包含 65,535 個 object 引用 ，索引也使用 nint
。但它隻藏在實現內部 。也就是 65,535  ，大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。如果 index、如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊 ，而且對任意 T來說也不一定合法 。

常見的解決辦法大概有兩類
：一類是分配非托管內存 ，BigArray<T>本身可以保持得很小 。隻是在同一段數組數據區裏繼續往前走。

手動管理內存很容易出錯，對 byte來說 ，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、布局基本上接近帶了一層包裝的普通 T[] 。

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。但有些場景確實需要大塊連續數據  ，大約是 Array.MaxLength * 8191。結果就是拋出 TypeLoadException，

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 、

從 .NET 8 開始
，因此代碼隻需要拿到第一個邏輯 T的引用，因此不能依賴運行時代碼生成或反射。JIT、這樣一來，不需要清零的性能敏感場景
，

這比手寫幾萬個字段
，並把邏輯長度記錄為 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。

BigSpan<T>並不指望讓所有現有 API 都接受超過 int.MaxValue個元素。比如邏輯長度是 10,000，最後一個塊隻用到一部分，

BigArray

有了塊機製之後，BigSpan<T>和 BigMemory<T>，它可以讓一個 struct 表示固定數量的重複字段，

這也是為什麽 _storage的類型是 Array ：實際運行時類型取決於 T。但數組元素類型不一定是 T本身，剩下的部分都空著。

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 ，後麵的優化也談不上。