Array.MaxLength を超えたサイズの配列を扱えるライブラリを作ってみた

タイトルの通り，長大サイズの配列を提供するライブラリを作ったので，それに合わせて紹介記事も書いてみました。
尚，作ってみたいという動機だけで開発したため，使う機会があるかどうかや実用性については私にも分かりません。

ライブラリ情報

• 名称：LongArrayLib
• 使用言語：C#
• Github: https://github.com/Funny-Silkie/LongArrayLib
• Nuget：未整備，需要があれば検討
• 対象バージョン：.NET7.0 & .NET8.0
• ライセンス：MIT

実装

LongArray<T> クラスがその配列クラスに該当します。
インデクサ，配列長共に64-bit符号付き整数（long）で定義されており，理論上は long.MaxValue まで要素数を設定できます。
ここで「理論上」としているのは，要素数を long.MaxValue （ $2^{63}-1$）とすると byte 配列でもメモリ上のサイズが約8 EiBになるためです。

取り回しは.NETの配列（T[]）に極力寄せており，検索やコピー，ソートといった一連のメソッドが用意されています。
.NETの配列と異なる要素としては，IndexOf() などの検索系のメソッドや ForEach() といった要素に変更を与えないメソッドは基本的に LongArray<T> に直接実装している点があります。
これはコードを書く上で一々 Array.XXX(array) とするより array.XXX() とした方がすっきりするためです。
Resize() や Sort() といった要素に変更の生じる処理は LongArray<T> クラスには実装されておらず，静的クラスである LongArray に実装されています。
また，内部で malloc をしている都合上， IDisposable を実装しています。
使い終わったら Dispose() を呼び出してメモリを解放する必要があります。

using LongArrayLib;

// 長さ5の配列を生成
using var array = new LongArray<long>(5L);
// 要素を設定
for (long i = 0L; i < array.Length; i++) array[i] = -i;

// 検索などは LongArray<T> インスタンスから呼び出し
Console.WriteLine(array.IndexOf(-2L)); // 出力：2
// ソートなどは LongArray クラスから呼び出し
LongArray.Sort(array); // ソート

Console.WriteLine(array.FindLast(x => x < 0L)); // 出力：-1

LongArray<T> は.NETの配列と同じように LongArray<T> は読み取り専用コレクションとして実装されています。
そのため ICollection<T> インターフェイス経由で Add(T) や Clear() を呼び出そうとしても NotSupportedException がスローされます。
インデクサに関してもsetterは存在せず，getterで ref T を返すことで値の設定を可能にしています。

当ライブラリでは LongArray<T> の実装だけでなく，既存の型との互換性も考慮しており，Span<T> や Memory<T> ， ReadOnlySequence<T> ， T[] との相互変換の他，LINQには ToLongArray<T>(IEnumerable<T>) ， Stream には Read(LongArray<T>, long, long) や Write(LongArray<T>, long, long) といった拡張も定義されています。

using LongArrayLib;
using System.Buffers;

var array = new byte[4096];
using var stream = new FileStream(..);

// LINQの拡張，IEnumerable<T> → LongArray<T>
using LongArray<byte> buffer = array.ToLongArray();

// Stream の拡張（Async版もあり）
stream.Write(buffer, 0L, buffer.Length);
stream.Read(buffer, 0L, buffer.Length);

// 型変換
Span<byte> span = buffer.AsSpan();
Memory<byte> memory = buffer.AsMemory();
ReadOnlySequence<byte> sequence = buffer.AsReadOnlySequence();

そしてC#12で新たに実装されたコレクション式にも対応しています。

using LongArrayLib;

// コレクション式からインスタンス生成
using LongArray<int> array = [0, 1, 2, 3, 4];
Console.WriteLine(string.Join(',', array)); // 出力：0,1,2,3,4

機能一覧

LongArray<T> ・ LongArray の実装に絞っています。
これ以外に様々な拡張メソッドが記述されており，既存の型との互換性を担保しています。

生成

機能名	対応する.NETの実装	備考
new LongArray<T>(long, bool)	new T[int]	第二引数を false にするとゼロ埋めをしない
LongArray.Create<T>(params T[])	N/A
LongArray.Create<T>(ReadOnlySpan<T>	N/A	コレクション式対応用

列挙

機能名	対応する.NETの実装	備考
LongArray<T>.GetEnumerator()	T[].GetEnumerator()	LongArray<T>.Enumerator は IEnumerator<T> を実装
LongArray<T>.GetSpanEnumerator(int)	N/A	ReadOnly<T> に分割して列挙，foreach に入れて回すことも可能
`LongArray.ForEach(Action)	Array.ForEach<T>(Action<T>)
LongArray<T>.ForEachChunk<TArg>(ReadOnlySpanAction<T, TArg>, TArg, int)	N/A	ReadOnly<T> に分割して処理

取得

機能名	対応する.NETの実装	備考
LongArray<T>.this[long]	T[int]	ref T を返す
LongArray<T>.this[int]	T[int]	ref T を返す
LongArray<T>.this[Index]	T[Index]	ref T を返す
LongArray<T>.this[Range]	T[Range]	LongArray<T> を返す
LongArray<T>.GetRange(long, long)	N/A	List<T>.GetRange(int, int) と同じ取り回し

コピー

機能名	対応する.NETの実装	備考
LongArray<T>.CopyTo(T[], int)	T[].CopyTo(Array, int)
LongArray<T>.CopyTo(LongArray<T>, int)	T[].CopyTo(Array, int)
LongArray<T>.CopyTo(Memory<T>)	MemoryExtensions.CopyTo(this T[], Memory<T>)
LongArray<T>.CopyTo(Span<T>)	MemoryExtensions.CopyTo(this T[], Span<T>)
LongArray.Copy<T>(LongArray<T>, LongArray<T>, long)	Array.Copy(Array, Array, int)
LongArray.Copy<T>(T[], LongArray<T>, int)	Array.Copy(Array, Array, int)	.NET配列 → LongArray<T>へのコピー
LongArray.Copy<T>(LongArray<T>, T[], int)	Array.Copy(Array, Array, int)	LongArray<T> → .NET配列へのコピー
LongArray.Copy<T>(LongArray<T>, long, LongArray<T>, long, long)	Array.Copy(Array, int, Array, int, int)
LongArray.Copy<T>(T[], int, LongArray<T>, long, int)	Array.Copy(Array, int, Array, int, int)	.NET配列 → LongArray<T>へのコピー
LongArray.Copy<T>(LongArray<T>, long, T[], int, int)	Array.Copy(Array, int, Array, int, int)	LongArray<T> → .NET配列へのコピー
LongArray<T>.Clone()	T[].Clone()

検索

機能名	対応する.NETの実装	備考
LongArray<T>.Contains(T)	Array.Contains(T)
LongArray<T>.IndexOf(T)	Array.IndexOf(T)
LongArray<T>.IndexOf(T, long)	Array.IndexOf(T), int
LongArray<T>.IndexOf(T, long, long)	Array.IndexOf(T), int, int
LongArray<T>.LastIndexOf(T)	Array.LastIndexOf(T)
LongArray<T>.LastIndexOf(T, long)	Array.LastIndexOf(T), int
LongArray<T>.LastIndexOf(T, long, long)	Array.LastIndexOf(T), int, int
LongArray<T>.Exists(Predicate<T>)	Array.Exists(Predicate<T>)
LongArray<T>.TrueForAll(Predicate<T>)	Array.TrueForAll(Predicate<T>)
LongArray<T>.Find(Predicate<T>)	Array.Find(Predicate<T>)
LongArray<T>.FindIndex(Predicate<T>)	Array.FindIndex(Predicate<T>)
LongArray<T>.FindIndex(Predicate<T>, long)	Array.FindIndex(Predicate<T>, int)
LongArray<T>.FindIndex(Predicate<T>, long, long)	Array.FindIndex(Predicate<T>, int, int)
LongArray<T>.FindLast(Predicate<T>)	Array.FindLast(Predicate<T>)
LongArray<T>.FindLastIndex(Predicate<T>)	Array.FindLastIndex(Predicate<T>)
LongArray<T>.FindLastIndex(Predicate<T>, long)	Array.FindLastIndex(Predicate<T>, int)
LongArray<T>.FindLastIndex(Predicate<T>, long, long)	Array.FindLastIndex(Predicate<T>, int, int)
LongArray<T>.FindAll(Predicate<T>)	Array.FindAll(Predicate<T>)
LongArray<T>.BinarySearch(T)	Array.BinarySearch(T)
LongArray<T>.BinarySearch(T, IComparer<T>?)	Array.BinarySearch(T, IComparer<T>?)
LongArray<T>.BinarySearch(long, long, T)	Array.BinarySearch(long, long, T)
LongArray<T>.BinarySearch(long, long, T, IComparer<T>?)	Array.BinarySearch(long, long, T, IComparer<T>?)

編集

機能名	対応する.NETの実装	備考
LongArray.Resize<T>(ref LongArray<T>? long)	Array.Resize<T>(ref T[]?, int)
LongArray.Clear<T>(LongArray<T>)	Array.Clear<T>(T[])
LongArray.Clear<T>(LongArray<T>, long, long)	Array.Clear<T>(T[], int, int)
LongArray.Fill<T>(LongArray<T>, T)	Array.Fill<T>(T[], T)
LongArray.Fill<T>(LongArray<T>, T, long, long)	Array.Fill<T>(T[], T, int, int)

ソート

機能名	対応する.NETの実装	備考
LongArray.Sort<T>(LongArray<T>)	Array.Sort<T>(T[])
LongArray.Sort<T>(LongArray<T>, IComparer<T>?)	Array.Sort<T>(T[], IComparer<T>?)
LongArray.Sort<T>(LongArray<T>, long, long)	Array.Sort<T>(T[], int, int)
LongArray.Sort<T>(LongArray<T>, long, long, IComparer<T>?)	Array.Sort<T>(T[], int, int, IComparer<T>?)
LongArray.Sort<T>(LongArray<T>, Comparison<T>)	Array.Sort<T>(T[], Comparison<T>)
LongArray.Sort<TKey, TValue>(LongArray<TKey>, LongArray<TValue>?)	Array.Sort<TKey>(TKey[], TValue[]?)
LongArray.Sort<TKey, TValue>(LongArray<TKey>, LongArray<TValue>?, IComparer<TKey>?)	Array.Sort<TKey>(TKey[], TValue[]?, IComparer<TKey>?)
LongArray.Sort<TKey, TValue>(LongArray<TKey>, LongArray<TValue>?, long, long)	Array.Sort<TKey>(TKey[], TValue[]?, int, int)
LongArray.Sort<TKey, TValue>(LongArray<TKey>, LongArray<TValue>?, long, long, IComparer<TKey>?)	Array.Sort<TKey>(TKey[], TValue[]?, int, int, IComparer<TKey>?)
LongArray.Reverse<T>(LongArray<T>)	Array.Reverse<T>(T[])
LongArray.Reverse<T>(LongArray<T>, long, long)	Array.Reverse<T>(T[], int, int)

変換

機能名	対応する.NETの実装	備考
LongArray<T>.ConvertAll<TOut>(Converter<T, TOut>)	Array.ConvertAll<TIn, TOut>(Converter<TIn, TOut>)
LongArray<T>.ToArray()	N/A	T[] に変換
LongArray<T>.AsPointer()	N/A	void* に変換