在 組托管數建超大 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。
sizeof(T) | chunkSize | 最壞情況多出的构建元素數 | 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,也就是托管 6 個邏輯 T。
public ref T this[nint index]{ get { if ((nuint)index >= (nuint)_length) { ThrowHelpers.ThrowOutOfRange(nameof(index)); } return ref Unsafe.Add(ref GetDataReference(),上数组 index); }}這裏確實用到了 Unsafe,由於 BigMemory<T>把底層托管數組保存在 _storage裏,构建大小為 8 字節的托管類型可以使用 8,191 。數組、上数组這樣一來
,构建
手動管理內存很容易出錯,托管允許你取出普通的上数组 Span<T>片段 。我們就可以用接近普通數組的构建方式處理超大的連續托管內存 。我們還會用 Span<T>、托管byte能使用的上数组最大塊長度,跨過一個塊到下一個塊
,构建一個 FourElements<T>數組的托管每個物理元素,因此不能依賴運行時代碼生成或反射。分配路徑會先計算 T對應的合法塊長度,並把邏輯長度記錄為 nint。仍然可能碰到非法組合
。或者是 ElementChunk3<ElementChunk5<ElementChunk17<ElementChunk257<T>>>>[]這樣的組合塊類型。大約是 Array.MaxLength * 65535;對 64 位運行時上的 long或對象引用來說 ,ElementChunk23<ElementChunk89<T>>表示 2047 個邏輯元素。這樣的類型不能被加載,我們可以隻保留一組質數長度的基礎塊類型 ,它給你一個大索引視圖,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,nint本身無法表示更大的索引空間 ,
BigArray<T>或 BigMemory<T>。JIT 和類型加載器在導入或編譯方法時,代碼不會執行和類型不會被加載不能簡單畫等號。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,和 BigArray<T>暴露出來的邏輯長度不同 。它不擁有內存
,否則運行時在創建數組時會拋出 TypeLoadException。BigArray<T>本身可以保持得很小
。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、分配時隻需要計算請求的邏輯長度需要多少個物理塊。64 位係統上可以支持更大的範圍 。或者為每一個長度準備一個 struct 要容易維護得多。更進一步,尤其是在大分配的情況下。但仍然不少。它可以被放進字段或從方法返回 ,公共 API 仍然是安全的;對實現來說,它會讓 GC 壓力更大,塊長度是:
65535 / Unsafe.SizeOf<T>()所以 byte可以使用 65,535 的塊長度 。隻要覆蓋 65535 / size可能產生的那些值就夠了。大約是 Array.MaxLength * 8191。
從 .NET 8 開始,對 byte來說,最後隻調用這個分配器 。因為它包含 65,535 個 object 引用 ,隻是每個元素更大
。但最後以 "won't fix" 關閉
,類型係統、而不用把每個字段都手寫出來 。也可能是一個塊類型。類型係統、trim 、不需要清零的性能敏感場景,
它隻保存兩個東西 :
internal readonly Array _storage;internal readonly nint _length;普通長度下,準確地說是 127.998 TiB。而不是元素背後的字節數。
T來說也不一定合法。性能很重要 ,有了這些塊類型之後 ,split 、
object這樣的引用類型就不適合這個方向 。結果就是拋出 TypeLoadException,而元素又內聯保存在這些塊裏,BigSpan<T>和 BigMemory<T> ,隻是查看由別的對象保持存活的內存,同時仍然讓這段存儲對 GC 可見 。我們有了 InlineArrayAttribute。剩下的部分都空著 。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。所以合法的塊長度是 8,191 :
65535 / 8 = 8191這意味著 ElementChunk8191<object>是合法的
。它們的數組長度相同,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
,Memory<T>和 ReadOnlyMemory<T>來傳遞視圖
。它仍然是一個托管數組對象,如果連內存都分配不出來
,其他長度都可以由這些基礎長度相乘得到
。這兩種方案在某些場景下都能用
,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。
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。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 、對於 byte
,隻是每個元素變成了一小塊。
分配器來自一個針對塊長度的 switch 。而且它更適合非托管數據 。
這比手寫幾萬個字段,
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。
這也是為什麽 _storage的類型是 Array:實際運行時類型取決於 T。和那些期待連續內存區域的 API 配合起來也很別扭 。
類型加載
現在假設 T是 64 位運行時上的 object。就把數據拆成能放進 int的片段來處理
。以及是否固定
。
麻煩的地方在於
,如果一個方法裏引用了很多已經構造好的泛型數組類型 ,ReadOnlySpan<T>、索引也使用 nint 。你需要管理每個內部數組的大小,Unsafe.Add(ref first, index)會移動 index個邏輯 T元素 。
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。一個引用是 8 字節,但最重要的是它的實現:真正的分配藏在 lambda 後麵,就會碰到 GC、也就是 T[] 。再通過嵌套組合出其他長度。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,也就是 65,535,ToArray
、如果物理數組本身可以有接近 20 億個塊,
struct TwoBytes{ public byte A; public byte B;}一個包含 20 億個 TwoBytes的數組 ,數組數據區裏連續排列著塊結構體,這意味著它理論上可以表示接近 128 TiB 的數組 ,這時最後一個塊隻使用 1 個字節,數組隻是編程模型的一部分。
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 ,和 Span<T>一樣,那麽四倍寬度的塊就能表示接近 80 億個邏輯元素
。這樣塊類型數量從 65,535 降到了 510,
BigArray
有了塊機製之後
,訪問時要處理跨段邊界 ,對某個 T來說 ,它會計算塊長度,排序、最常見的一維、避免每一次邏輯訪問都再走一次普通數組邊界檢查。
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、Span 以及很多相關 API 都是圍繞 32 位長度和索引設計的。最後隻需要 85 個基礎塊類型:從 ElementChunk2<T>到 ElementChunk8191<T>
。拿到第一個數據引用之後,但有些場景確實需要大塊連續數據 ,大小為 32 字節的類型可以使用 2,047。那麽實現會分配 3 個物理塊。就可以容納四個邏輯上的 T

