C++ size_t 和 ptrdiff_t 用于负数组索引

Question

我很难在 size_t 和 ptrdiff_t 之间选择索引类型，它应该能够存储负值。

确切地说，在我的代码中，我需要实现一个数组。我将它的长度（在构造函数中）作为size_t 的类型接收，当我重载[] operator 时，我需要索引类型为ptrdiff_t（而不是size_t），因为我想允许负索引，如本例所示：

std::size_t length = 50;
MyVector<int> vec(length);
vec[0] = 10;

MyVector<int> vec2 = vec+1;
std::cout << vec2[-1] << std::endl; //should print 10

上述设计产生的问题是可用索引的范围受到ptrdiff_t的最大值的限制，并且在某些机器中，这个上限小于size_t的最大值。

即std::numeric_limits<std::ptrdiff_t>::max() < std::numeric_limits<std::size_t>::max()

因此，问题在于用户可能会创建一个大小大于ptrdiff_t 最大值的数组（当然，仍在size_t 的范围内），但他不会无法访问数组中超过最大值ptrdiff_t 的元素，因为它们的索引会溢出到负数。在我的机器上，这将可用索引减半！ （因为size_t和ptrdiff_t都是64位，但一个是unsigned，另一个是signed）

以下是我想出的解决方案，但遗憾的是它们都不是完美的：

1. 在构造函数中，接受 ptrdiff_t 类型的长度而不是 size_t，并添加一个检查以验证给定长度是否为负数。

   优点：它解决了这个问题，因为现在我将无法访问数组中的所有元素，并且仍然允许负索引。

   缺点：它限制了数组的最大可能长度。 （例如，就像我之前说的，在我的机器中它减半）

2. 保持原样，但在[] operator 中，将索引转换为size_t 类型，并利用负值会溢出的事实。

   即给给定的索引，添加我们当前指向的元素和

   例如，在我之前的示例中，由于 vec2 指向数组中的 second 元素，[] operator 看起来像

   template<class T>
   T& MyVector<T>::operator[] (std::ptrdiff_t index) {
       //Since vec2 points to the second element, we add 1.
       //For vec, we would add 0 since it points at the 
       //first element in the array.
       std::size_t actual_index = static_cast<std::size_t>(index + 1);
   
       //Do boundary checking
   
       return this->ptr[actual_index];
   }
   

   优点：我们现在能够访问数组中的所有元素。

   缺点：用法变得笨拙和丑陋。 例如，如果我们创建一个大小为std::numeric_limits<std::size_t>::max() 的向量，那么为了访问最后一个元素，我们需要访问'-1' 元素：

   MyVector<int> big_vector(std::numeric_limits<std::size_t>::max());
   big_vector[-1] = 5; // big_vector[-1] is the last element in the array.
   
   MyVector<int> big_vector2 = big_vector + 1;
   std::cout << big_vector2[-2] << std::endl; // would print 5, since big_vector2 points at the second element in the array
   

Answer 1

我很难在 size_t 和 ptrdiff_t 之间选择索引类型，它应该能够存储负值。

你为什么把自己限制在 size_t 和 ptrdiff_t 上？其他整数类型呢？

您有实际的计划来实现一个包含 4.294.967.296 个元素的容器吗？ （即2 ^ 32）。

我认为今天没有一个平台可以分配那么多内存——至少在消费级计算机中没有。您正在研究专用硬件吗？

对于通用 C++，您可以安全地编写 std::size_t - 接受构造函数到 std::ptrdiff_t 索引类。

您可能必须配置接受的索引范围，这样如果您接受负索引，则有效索引范围应该是（-max32bit，max32bit）。

这意味着，如果您尝试使用具有范围内索引的类（max32bit，max64bit），您的类应该抛出异常。

我的解决方案将在构造函数中接受 std::size_t（有明确的文档说明索引范围从 -max(ptrdiff_t) 到 max(ptrdiff_t)，而不是从 0 到 max(std::size_t) . 然后该类将使用std::ptrdiff_t 进行索引。