为什么 sizeof(ptrdiff_t) == sizeof(uintptr_t)

Question

我看到几篇关于 size_t 与 uintptr_t/ptrdiff_t 的帖子（例如 size_t vs. uintptr_t），但没有关于这些新的 c99 ptr 大小类型的相对大小。

示例机器：vanilla ubuntu 14lts x64，gcc 4.8：

printf("%zu, %zu, %zu\n", sizeof(uintptr_t), sizeof(intptr_t), sizeof(ptrdiff_t));

打印：“8, 8, 8”

这对我来说没有意义，因为我认为必须签名的 diff 类型需要比无符号 ptr 本身更多的位。

考虑：

NULL - (2^64-1)  /*largest ptr, 64bits of 1's.*/

2 的补码负数不适合 64 位；因此我希望 ptrdiff_t 大于 ptr_t。

[一个相关的问题是为什么 intptr_t 与 uintptr_t 大小相同......虽然我很舒服这可能只是为了允许有符号类型包含表示的位（例如，在负 ptr 上使用有符号算术会（ a) 未定义，并且 (b) 具有有限的效用，因为 ptrs 被定义为“正”)]

谢谢！

Answer 1

首先，很明显uintptr_t 不是在这里做什么。语言（C 和 C++）不允许您相互减去任意指针值。只有指向同一个对象（同一个array对象）的两个指针才能相减。否则，行为未定义。这意味着这两个指针之间的距离不可能超过SIZE_MAX 字节。注意：距离受size_t的范围限制，不受uintptr_t的范围限制。一般情况下，uintptr_t 可以是比size_t 更大的类型。 C/C++ 中没有人曾向您承诺您应该能够将位于UINTPTR_MAX 字节的两个指针相减。

（是的，我知道在平面内存平台上 uintptr_t 和 size_t 通常是相同的类型，至少在范围和表示上是这样。但从语言的角度来看，假设它们总是是。）

您的NULL - (2^64-1)（如果被解释为地址减法）就是这种有问题的减法的一个明显例子。是什么让你认为你应该能够做到这一点？

其次，在从不相关的uintptr_t 切换到更相关的size_t 之后，可以说您的逻辑完全有效。 sizeof(ptrdiff_t) 应该大于 sizeof(size_t)，因为表示签名结果需要额外的位。然而，无论听起来多么奇怪，语言规范并不要求 ptrdiff_t 足够宽以容纳所有指针减法结果，即使两个指针指向同一对象的一部分（即它们相距不超过 SIZE_MAX 字节）。法律允许ptrdiff_t 与size_t 具有相同的位数。

这意味着“看似有效”的指针减法实际上可能仅仅因为结果太大而导致未定义的行为。如果您的实现允许您声明一个大小为 char 的数组，例如 SIZE_MAX / 3 * 2

char array[SIZE_MAX / 3 * 2]; // This is smaller than `SIZE_MAX`

如果ptrdiff_t 与size_t 具有相同的大小，则减去指向该数组末尾和开头的完全有效的指针可能会导致未定义的行为

char *b = array;
char *e = array + sizeof array;

ptrdiff_t distance = e - b; // Undefined behavior!

这些语言的作者决定选择这种更简单的解决方案，而不是要求编译器实现对 [可能是非本地的] 超宽有符号整数类型 ptrdiff_t 的支持。

现实生活中的实现已经意识到这个潜在的问题，并且通常会采取措施来避免它。他们人为地限制了最大支持对象的大小，以确保指针减法永远不会溢出。在典型实现中，您将无法声明大于PTRDIFF_MAX 字节（大约为SIZE_MAX / 2）的数组。例如。即使您平台上的 SIZE_MAX 是 2⁶⁴-1，实现也不会让您声明大于 2⁶³-1 字节的任何内容（以及现实生活中的限制）从其他因素得出的可能比这更严格）。有了这个限制，任何合法的指针减法都会产生一个适合ptrdiff_t范围的结果。

另见，

• Why is the maximum size of an array “too large”?

Answer 2

接受的答案没有错，但没有提供太多关于为什么 intptr_t、size_t 和 ptrdiff_t 实际有用以及如何使用它们的见解。所以这里是：

• size_t 基本上是size_of 表达式的类型。它只需要能够容纳您可以制作的最大对象的大小，包括数组。因此，如果您只能使用 64k 连续内存，那么 size_t 可以小至 16 位，即使您有 64 位指针。

• ptrdiff_t是指针差异的类型，例如&a - &b。虽然0 - &a 确实是未定义的行为（就像在C/C++ 中几乎 做所有事情），但无论它是什么，都必须适合ptrdiff_t。它通常与指针大小相同，因为这是最有意义的。如果ptrdiff_t 的大小很奇怪，指针算法本身就会中断。

• intptr_t/uintptr_t 与指针大小相同。它们适合相同的int*_t 模式，其中 * 是 int 的大小。与所有int*_t/uint*_t 类型一样，出于某种原因，标准允许它们大于然后需要，但这非常罕见。

根据经验，您可以将size_t 用于大小和数组索引，并将intptr_t/uintptr_t 用于与指针相关的所有内容。不要使用ptrdiff_t。