为什么数组的最大大小会“太大”？

Question

为什么数组的最大大小会“太大”？

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我和这个答案持有相同的看法，即标准始终保证size_t足够大，可以容纳给定系统中最大的类型。

然而，在gcc/Mingw上，这段代码无法编译：

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>

typedef uint8_t array_t [SIZE_MAX];

错误：数组 'array_t' 的大小太大

我是否对标准有什么误解？在给定的实现中，size_t 是否允许过大？还是这是Mingw的另一个错误？

编辑：进一步研究表明

typedef uint8_t array_t [SIZE_MAX/2];   // does compile
typedef uint8_t array_t [SIZE_MAX/2+1]; // does not compile

恰好与之相同

#include <limits.h>

typedef uint8_t array_t [LLONG_MAX];           // does compile
typedef uint8_t array_t [LLONG_MAX+(size_t)1]; // does not compile

因此，我现在倾向于认为这是Mingw中的一个漏洞，因为基于有符号整数类型设置最大允许大小没有任何意义。

- Lundin

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SIZE_MAX 大小的数组很可能会占用所有内存空间。 - Paul Ogilvie

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@PaulOgilvie 那为什么他们选择了一个对于给定的实现来说太大的数字呢？ - Lundin

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根据GCC 源代码，该限制由sizetype的有符号对应项（注释中的INT_MAX是误导性的）强制执行。在第5933行，index被赋值为c_common_signed_type(sizetype);。这可能解释了“半范围”问题。 - Grzegorz Szpetkowski

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@Lundin：我没有找到任何注释，为什么他们使用了有符号类型，所以这可能是一个错误。编辑：我认为2501是正确的，这是由于ptrdiff_t类型是有符号的。 - Grzegorz Szpetkowski

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请注意，标准中并没有暗示编译器必须允许任何大小不超过SIZE_MAX的对象存在。它只是暗示编译器不能允许大于SIZE_MAX的对象存在。即使您并未实际创建该对象，由于sizeof也可以应用于类型，因此这仍然成立。 - Brian Bi

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4个回答

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size_t的取值范围保证足以存储实现所支持的最大对象的大小，但反过来不一定成立：不能保证可以创建一个大小填满整个size_t取值范围的对象。

在这种情况下，问题是：SIZE_MAX代表什么？最大支持的对象大小还是size_t所能表示的最大值？答案是：后者，即SIZE_MAX是(size_t) -1。不能保证创建SIZE_MAX字节大小的对象。

原因是除了提供size_t之外，实现还必须提供ptrdiff_t，用于存储指向同一数组对象的两个指针之间的差异（虽然不能保证）。由于ptrdiff_t类型是带符号的，实现面临以下选择：

允许大小为SIZE_MAX的数组对象，并使ptrdiff_t比size_t“宽”。它必须至少比size_t多一位。这样的ptrdiff_t可以容纳指向大小为SIZE_MAX或更小的数组的两个指针之间的任何差异。
允许大小为SIZE_MAX的数组对象，并使用与size_t相同宽度的ptrdiff_t。接受指针减法可能会发生溢出并导致未定义行为的事实，如果指针之间距离超过SIZE_MAX / 2个元素。语言规范不禁止这种方法。

使用与size_t相同宽度的ptrdiff_t，并通过SIZE_MAX / 2限制最大数组对象大小。这样的ptrdiff_t可以容纳任何两个指向大小为SIZE_MAX / 2或更小的数组中的指针之间的差异。

你只需处理遵循第三种方法的实现。

- AnT stands with Russia

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问题中的代码并没有尝试创建任何数组对象，它只是进行了一个typedef。因此，如果实现拒绝typedef，那么它是否不符合规范？ - M.M

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我真的认为这是一个非常基准的答案（针对所有这些ptrdiff/size/intptr的东西），我敦促你将其他答案合并到此答案中，概述每种类型的_MAX和_MIN常量，在解释它们之前（因为参考文献会使其更容易理解），并将其他答案的细节纳入此答案中。干得好！ - Evan Carroll

实际上，我已经得到了你的答案和 https://dev59.com/ZGox5IYBdhLWcg3wKBR9#9387041 上的答案，我几乎觉得让另一个问题保持开放是不公正的。也许你可以将你的答案迁移到那个问题，并完全关闭这个问题。 - Evan Carroll

如果您想为您非常棒的分解图更新更对称，那么可以免费获取这个链接，它会使处理更加轻松。（在我看来）https://gist.github.com/EvanCarroll/121dfb870fd3da0dc52ba4e7edefe3ee - Evan Carroll

做得好，现在只需要指出任何编程语言的实现在技术上是有限的，但旨在在某种程度上具有功能性...我们可能可以通过黑客手段让操作系统给我们提供4GB的堆栈，但那将是大部分浪费，因此决定在1-4MB的调用堆栈空间中达成妥协（这就是这个分配最终可能会结束的地方，除非分配），而且仅仅因为它编译通过并不意味着它有用... - autistic

此外，我觉得回到经典的“对象”定义（它是一个必要的状态变化存储区域，并不一定需要可寻址或可迭代使用 C 风格指针算术运算符）......我们可以将一个数组映射到整个磁盘上，假设 32 位 size_t，我们就无法访问超过 2-4GB。然而，如果我们坚持在特殊块设备上使用 read 和 write 调用，我们就可以访问设备上的任何位置，理论上我们可以拥有一个无限长的磁带。实际上，这会更慢，因此我们的程序应该在两者之间找到平衡点。 - autistic

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看起来非常像是实现特定的行为。

我在这里运行Mac OS，并且使用gcc 6.3.0，我能够编译您的定义的最大大小为SIZE_MAX/2；使用SIZE_MAX/2 + 1无法编译。

另一方面，使用clang 4.0.0时，最大的一个是SIZE_MAX/8，而SIZE_MAX/8 + 1会出错。

- avysk

SIZE_MAX/8+1 很有趣。那里是否有错误信息？您能成功地分配 SIZE_MAX/8+1 的内存吗？ - 2501

错误信息非常相似：错误：数组太大（2305843009213693952个元素）。 - avysk

clang 4.0.0是什么意思？RSIZE_MAX的值是多少？PTRDIFF_MAX的值是多少？ - 2501

SIZE_MAX: 18446744073709551615 RSIZE_MAX: 9223372036854775807 PTRDIFF_MAX: 9223372036854775807 - avysk

确实。不，我甚至不能malloc SIZE_MAX/128/1024：咕咕声，设置一个断点在malloc_error_break来调试。SIZE_MAX/256/1024可以正常分配内存。+1/-1对于那些不改变行为的人。 - avysk

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从头开始推理，size_t是一种可以容纳任何对象大小的类型。任何对象的大小都受地址总线宽度的限制（忽略复用和能够处理32位和64位代码的系统，称之为“代码宽度”）。类似于最大整数值MAX_INT，SIZE_MAX是size_t的最大值。因此，大小为SIZE_MAX的对象是所有可寻址的内存。实现标记它为错误是合理的，但我同意只有在分配了实际对象的情况下，无论是在堆栈上还是在全局内存中，才会出现错误。（对于那么多的内存，调用malloc也将失败）

- Paul Ogilvie

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可以查看英文原文，
原文链接

- 2501 · Accepted Answer

根据您的实现，size_t和ptrdiff_t类型具有相同的宽度，因此限制SIZE_MAX / 2的大小。C标准规定size_t类型为无符号整数，而ptrdiff_t类型为带符号整数。两个指针之间的差异的结果将始终为ptrdiff_t类型。这意味着，在您的实现中，对象的大小必须限制为PTRDIFF_MAX，否则无法用ptrdiff_t类型表示两个指针之间的有效差异，导致未定义的行为。因此，值SIZE_MAX / 2等于值PTRDIFF_MAX。如果实现选择最大对象大小为SIZE_MAX，则必须增加ptrdiff_t类型的宽度。但是，将对象的最大大小限制为SIZE_MAX / 2比使ptrdiff_t类型具有大于或等于size_t类型正数范围更容易。标准在该主题上提供了以下评论。

例如，当将负数转换为无符号类型（如size_t）时，会出现负数的绝对值非常大的情况。此外，一些实现不支持像size_t类型所能表示的最大值那么大的对象。

⁴（K.3.4 整数类型 4）
因此，限制对象大小的范围有时是有益的，以便检测编程错误。对于针对具有大地址空间的机器的实现，建议将RSIZE_MAX定义为支持的最大对象的大小或(SIZE_MAX >> 1)的较小值，即使此限制小于某些合法但非常大的对象的大小。针对具有小地址空间的机器的实现可能希望将RSIZE_MAX定义为SIZE_MAX，这意味着没有被认为是运行时约束违规的对象大小。