用于负数组索引的 C++ size_t 和 ptrdiff_t

Question

我很难在 size_t 之间做出选择和 ptrdiff_t对于索引的类型，应该需要能够存储负值。

准确地说，在我的代码中我需要实现一个数组。我收到它的长度(在构造函数中)作为 size_t 的类型，当我重载 [] operator我需要索引的类型为 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

上述设计引起的问题是可用索引的范围受限于 ptrdiff_t 的最大值。 , 在某些机器上，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，问题是用户可能会创建一个大小大于 ptrdiff_t 的最大值的数组。 (但仍在 size_t 的范围内，当然)，但他将无法访问成功超过 ptrdiff_t 最大值的数组元素。 ，因为它们的索引会溢出到负数。在我的机器上，这会将可用索引减半! (因为size_t和ptrdiff_t都是64位的，但是一个是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 , 并添加一个检查来验证给定的长度不是负数。

   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，在我的机器中它减少了一半)

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

   即对于给定的索引，添加我们当前指向的元素与

   之间的差异

   例如，在我之前的示例中，由于 vec2 指向数组中的 second 元素，因此 [] 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 vector , 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

I'm having difficulty choosing between size_t and ptrdiff_t for the type of an index, which should need to be able to store a negative value.

为什么您将自己限制为 size_t 和 ptrdiff_t？其他整数类型呢？

您是否有实现包含 4.294.967.296 个元素的容器的实际计划？ (即 2 ^ 32)。

我不认为现在有一个平台可以分配那么多内存——至少在消费级计算机中是这样。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 std::ptrdiff_t 索引类的构造函数。

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

这意味着，如果您尝试使用索引在 (max32bit, max64bit) 范围内的类，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)。然后将使用 std::ptrdiff_t 对该类进行索引。