c++ - 减去与同一数组未定义行为无关的两个指针的基本原理是什么？

Question

根据 C++ 草案expr.add当您减去相同类型但不属于同一数组的指针时，行为未定义（重点是我的）：

当两个指针表达式 P 和 Q 相减时，结果的类型是实现定义的有符号整数类型；此类型应与在标头 ([support.types]) 中定义为 std::ptrdiff_t 的类型相同。

• 如果 P 和 Q 都计算为空指针值，则结果为 0。 (5.2)

• 否则，如果 P 和 Q 分别指向同一数组对象 x 的元素 x[i] 和 x[j]，则表达式 P - Q 的值为 i-j。

• 否则，行为未定义。 [注意：如果值 i−j 不在 std::ptrdiff_t 类型的可表示值范围内，则行为未定义。——尾注]

使这种行为未定义而不是例如实现定义的基本原理是什么？

标签： c++language-lawyerpointer-arithmetic

Answer 1

从学术上讲：指针不是数字。它们是指针。

确实，系统上的指针被实现为某种抽象类型的内存（可能是虚拟的，每个进程的内存空间）中位置的类似地址表示的数字表示。

但是 C++ 并不关心这一点。C++ 希望您将指针视为指向特定对象的便利贴、书签。数字地址值只是一个副作用。唯一对指针有意义的算术是通过对象数组向前和向后。没有其他任何东西具有哲学意义。

这可能看起来非常神秘和无用，但它实际上是经过深思熟虑和有用的。C++ 不希望将实现限制为赋予它无法控制的实用、低级计算机属性更多的意义。而且，由于它没有理由这样做（你为什么要这样做？）它只是说结果是未定义的。

在实践中，您可能会发现您的减法有效。然而，编译器极其复杂，并且充分利用标准的规则来生成尽可能快的代码；当您违反规则时，这可能并且经常会导致您的程序看起来做一些奇怪的事情。当编译器假定原始值和结果都引用同一个数组时，如果您的指针算术运算被破坏，请不要太惊讶——您违反了这个假设。