C ++ gcc扩展用于非零数组指针分配？

Question

我正在寻找一个gcc支持的C ++语言扩展，以支持非零的数组指针的分配。理想情况下，我可以简单地写：

#include<iostream>  
using namespace std;

// Allocate elements array[lo..hi-1], and return the new array.
template<typename Elem>
Elem* Create_Array(int lo, int hi)
{
  return new Elem[hi-lo] - lo;
  // FIXME what about [expr.add]/4.
  // How do we create a pointer outside the array bounds?
}

// Deallocate an array previously allocated via Create_Array.
template<typename Elem>
void Destroy_Array(Elem* array, int lo, int hi)
{
  delete[](array + lo);
}


int main() 
{  
  const int LO = 1000000000;
  const int HI = LO + 10;
  int* array = Create_Array<int>(LO, HI);
  for (int i=LO; i<HI; i++)
    array[i] = i;
  for (int i=LO; i<HI; i++)
    cout << array[i] << "\n";
  Destroy_Array(array, LO, HI);
} 

上面的代码似乎有效，但没有C ++标准定义。具体来说，问题是[expr.add]/4：

当向指针添加或从指针中减去具有整数类型的表达式时，结果具有指针操作数的类型。如果表达式P指向具有n个元素的数组对象x的元素x [i]，则表达式P + J和J + P（其中J具有值j）指向（可能是假设的）元素x [i + j]如果0≤i+j≤n;否则，行为未定义。同样，如果0≤i-j≤n，则表达式P-J指向（可能是假设的）元素x [i-j];否则，行为未定义。

换句话说，上面代码中标记为FIXME的行的行为是未定义的，因为它计算的指针在基于0的数组x[0..n]的x范围之外。

--std=...是否有一些gcc选项告诉它允许直接计算非零数组指针？

如果没有，是否有一种合理的可移植方式来模仿return new Type[hi-lo] - lo;声明，也许是通过施放到long并返回？ （但我会担心引入更多错误）

此外，这可以通过只需要1个寄存器来跟踪每个数组的方式完成，就像上面的代码一样吗？例如，如果我有array1[i], array2[i], array3[i]，这只需要3个寄存器用于数组指针array1, array2, array3，加上一个寄存器用于i？ （类似地，如果冷读取数组引用，我们应该能够直接获取非基于零的指针，而不用仅仅为了在寄存器中建立引用而进行计算）

Answer 1

假设你在linux x86-64上使用gcc，它支持intptr_t和uintptr_t类型，它们可以保存任何指针值（有效或无效）并且还支持整数运算。 uintptr_t更适合这个应用，因为它支持mod 2^64 semantics而intptr_t有UB病例。

正如评论中所建议的，我们可以使用它来构建一个重载operator[]并执行范围检查的类：

#include <iostream> 
#include <assert.h>
#include <sstream> // for ostringstream
#include <vector>  // out_of_range
#include <cstdint> // uintptr_t
using namespace std;


// Safe non-zero-based array. Includes bounds checking.
template<typename Elem>
class Array {
  uintptr_t array; // base value for non-zero-based access
  int       lo;    // lowest valid index
  int       hi;    // highest valid index plus 1

public:

  Array(int lo, int hi)
    : array(), lo(lo), hi(hi)
  {
    if (lo > hi)
      {
        ostringstream msg; msg<<"Array(): lo("<<lo<<") > hi("<<hi<< ")";
        throw range_error(msg.str());
      }
    static_assert(sizeof(uintptr_t) == sizeof(void*),
          "Array: uintptr_t size does not match ptr size");
    static_assert(sizeof(ptrdiff_t) == sizeof(uintptr_t),
          "Array: ptrdiff_t size does not match ptr (efficieny issue)");
    Elem* alloc = new Elem[hi-lo];
    assert(alloc); // this is redundant; alloc throws bad_alloc
    array = (uintptr_t)(alloc) - (uintptr_t)(lo * sizeof(Elem));
    // Convert offset to unsigned to avoid overflow UB.
  }


  //////////////////////////////////////////////////////////////////
  // UNCHECKED access utilities (these method names start with "_").

  uintptr_t _get_array(){return array;}
  // Provide direct access to the base pointer (be careful!)

  Elem& _at(ptrdiff_t i)
  {return *(Elem*)(array + (uintptr_t)(i * sizeof(Elem)));}
  // Return reference to element (no bounds checking)
  // On GCC 5.4.0 with -O3, this compiles to an 'lea' instruction

  Elem* _get_alloc(){return &_at(lo);}
  // Return zero-based array that was allocated

  ~Array() {delete[](_get_alloc());}


  //////////////////////////////
  // SAFE access utilities

  Elem& at(ptrdiff_t i)
  {
    if (i < lo || i >= hi)
      {
        ostringstream msg;
        msg << "Array.at(): " << i << " is not in range ["
            << lo << ", " << hi << "]";
        throw out_of_range(msg.str());
      }
    return _at(i);
  }

  int get_lo() const {return lo;}
  int get_hi() const {return hi;}
  int size()   const {return hi - lo;}

  Elem& operator[](ptrdiff_t i){return at(i);}
  // std::vector is wrong; operator[] is the typical use and should be safe.
  // It's good practice to fix mistakes as we go along.

};


// Test
int main() 
{  
  const int LO = 1000000000;
  const int HI = LO + 10;
  Array<int> array(LO, HI);
  for (int i=LO; i<HI; i++)
    array[i] = i;
  for (int i=LO; i<HI; i++)
    cout << array[i] << "\n";
}

请注意，由于intptr_t，仍然无法将GCC 4.7 Arrays and Pointers计算的无效“指针”强制转换为指针类型：

当从指针转换为整数并再次返回时，结果指针必须引用与原始指针相同的对象，否则行为是未定义的。也就是说，可能不会使用整数运算来避免指针运算的未定义行为，如C99和C11 6.5.6 / 8中所禁止的那样。

这就是为什么array场必须是intptr_t类型而不是Elem*。换句话说，只要在转换回intptr_t之前调整Elem*指向原始对象，就会定义行为。