ptrdiff_t 的動機是什么？

Question

為什么 C 為兩個指針之間的差異定義一個單獨的類型？ 例如，為什么不能將其定義為long long ，甚至不能定義為intmax_t ？ 是否有過intmax_t不等於ptrdiff_t的時候？

基本上，為什么這個 typedef（具有特定的字符串格式等）有用是什么意思？ 作為一個基本的使用示例，我正在做：

int a = 1, b = 2;
printf("%td XXX\n", (char *)(&b) - (char *)(&a)); // 't' is formatter for prtdiff_t

Answer 1

是否有過intmax_t不等於ptrdiff_t的時候？

是的，在指針為 32 位且intmax_t >=64 位的 32 位平台上。

Answer 2

這是 C 標准中的相關段落：

6.5.6 加法運算符
[...]
語義
[...]
9.當兩個指針相減時，都指向同一個數組object的元素，或者數組object的最后一個元素； 結果是兩個數組元素的下標之差。 結果的大小是實現定義的，其類型（帶符號的 integer 類型）是在<stddef.h> header 中定義的ptrdiff_t 。 如果結果在該類型的 object 中不可表示，則行為未定義。 換句話說，如果表達式P和Q分別指向數組 object 的第i個和第j個元素，則表達式(P)-(Q)的值是i - j ，前提是該值適合Ptrdiff_t 類型的ptrdiff_t 。 此外，如果表達式P指向數組 object 的元素或數組 object 的最后一個元素，並且表達式Q指向同一數組 object 的最后一個元素，則表達式((Q)+1)-(P)與((Q)-(P))+1和-((P)-((Q)+1))具有相同的值，並且如果表達式P指向超過數組 object 的最后一個元素，即使表達式(Q)+1不指向數組 object 的元素。 ¹⁰⁸⁾

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^{108) 處理指針運算的另一種方法是首先將指針轉換為字符指針：在此方案中，在轉換后的指針中添加或減去的 integer 表達式首先乘以最初指向的 object 的大小, 並將結果指針轉換回原始類型。 對於指針減法，字符指針之間的差異結果同樣除以最初指向的 object 的大小。 以這種方式查看時，實現只需在 object 結束后提供一個額外字節（可能與程序中的另一個 object 重疊）以滿足“過去最后一個元素”的要求。}

盡管 C 標准沒有強制要求，但ptrdiff_t通常定義為簽名的 integer 類型，大小與size_t相同。 On architectures where the maximum size of an object is limited to 32 bits, such as 32-bit Windows and Unix systems, size_t is an unsigned 32-bit integer type and ptrdiff_t a signed 32-bit integer type, whereas on 64-bit systems具有更大的地址空間，它們都是 64 位 integer 類型，對ptrdiff_t有符號，對size_t無符號。

但是請注意，兩個指針指向一個非常大的char數組的差異可能會超出與size_t大小相同的有符號類型的范圍。 例如，3GB char 數組可能在 32 位系統上可用（ UINT32_MAX > 3GB），但 2 個指針的絕對值之差可以大到 3GB，這超出了int32_t的范圍，因此適合ptrdiff_t類型這個平台的，調用未定義的行為。

大多數實現通過減去地址並將結果除以元素大小來獲得差異，如果大小是 2 的冪，則使用有符號算術或有符號右移。對於大於char的大型 arrays 元素，這可能會產生不正確的結果，即使該值適合ptrdiff_t類型的 object 。

使用實現定義類型ptrdiff_t而不是long long的基本原理是保持與現有實現的兼容性，並避免在地址空間較小的系統上使用較大的類型，這會導致空間和時間的額外開銷。 在早期的 C 實現中，類型int用於此目的，並且當size_t引入的范圍可能與unsigned int不同時，由於int太小，因此需要用於 2 個指針差異的特定類型。 ptrdiff_t可能仍然太小，但僅適用於邊界情況。