Как на 32-битной платформе в переменную типа intptr_t может влезть максимальный адрес ссылки?

Question

[Денис Курбатов]

В С++ 11 есть такие типы данных, как знаковый intptr_t (он же ptrdiff_t), и беззнаковый uintptr_t (он же size_t).
en.cppreference.com/w/cpp/types/integer
О ptrdiff_t на сайте PVS-Studio
Утверждается, что что переменные этих типов (intptr_t и uintptr_t ) могут вместить максимально возможное значение адресного пространства, т.е. в нашем примере, 32 бита на 32-битной платформе.
По смыслу, да и в статьях тоже предполагается, что эти два типа фактически равны между собой.
Однако я никак не могу взять в толк: как может БЕЗЗНАКОВОЕ число равняться числу СО ЗНАКОМ?
И, более того, как в ЗНАКОВУЮ переменную типа intptr_t можно поместить 32-битный адрес памяти, если в этом числе 1 бит уходит на знак, а для данных остаётся 31 бит?
И ещё: зачем нужно было вообще вводить intptr_t если есть uintptr_t, в который адрес точно влезет?

Answer 1

[Денис Курбатов]

Спасибо всем за ответы, они даже, наверно, правильные, но окончательно всё прояснилось, когда мне ответили на Хабре. Привожу сокращённый ответ, вдруг кому понадобится.

Да, действительно, процессор обрабатывает не байты, слова и прочее, а биты и их совокупности разных размеров. Что из себя представляют эти биты - решают разработчики. Чтобы поместить в 8 бит число со знаком, и чтобы можно было с этим числом проводить арифметические операции, разработчики договорились о нескольких форматах хранения. Сначала придумали прямой код, потом обратный, а потом дополнительный. Об этом можно почитать на Википедии.
Так вот, в C\C++ числа со знаком хранятся в дополнительном коде. То есть переменная типа intptr_t будет именно так храниться. Свойства дополнительного кода позволяют нам гарантированно получить разницу между [адресом 2147483640] и [адресом 2147483640+100 байт], даже если [адрес 2147483640+100 байт] превышает максимально допустимый размер в 2147483646 для intptr_t. Это возможно за счёт того, что пространство чисел в дополнительном коде специальным образом закольцовано.
А числа без знака хранятся как uintptr_t в 8 битах в прямом коде, т.е. от 0 до 4294967295. С ними всё понятно и так.
Теперь ответ на вопрос "зачем нужен intptr_t если есть uintptr_t?". uintptr_t нужен, чтобы СРАВНИВАТЬ два указателя. Т.к. числа в нём представлены линейно растущей последовательностью прямого кода, это становится очевидным. При этом сравнивать значения типа intptr_t НЕЛЬЗЯ, т.к. из-за особенностей представления (дополнительный код) указатель на больший адрес может быть представлен битовой последовательностью, которая МЕНЬШЕ, чем указатель на меньший адрес.

Comments

[Максим Мосейчук]

Как-то вам херово объяснили, всё наоборот. Адреса памяти числа не отрицательные, поэтому для их хранения нужно использовать беззнаковый тип, т.е. uintptr_t. Смещение же уже число целое, поэтому для его хранения требуется знаковый тип intptr_t.

https://www.viva64.com/ru/t/0050/
https://www.viva64.com/ru/t/0023/

[Денис Курбатов]

Непонятно, с чего вы взяли, что смещение хранится в одном типе, а указатель в другом? И зачем вы мне ссылки приводите. которые я сам в первом посте опубликовал?
Указатели на память, массивы и тд хранятся в битах, а о том, как эти биты интерпретировать, вы решаете сами. Если нужно сравнить - то как uintptr_t, если получить разницу - то как intptr_t.
Пока это самое логичное объяснение, т.к. даже в стандарте C++ это не разъясняется, а в код GCC я, пожалуй, не буду пока лезть.

Answer 2

[Mercury13]

зачем нужно было вообще вводить intptr_t если есть uintptr_t, в который адрес точно влезет?

intptr_t — разность двух адресов.

И, более того, как в ЗНАКОВУЮ переменную типа intptr_t можно поместить 32-битный адрес памяти, если в этом числе 1 бит уходит на знак, а для данных остаётся 31 бит?

Учите матчасть — как действует дополнительный код, почему машинные целые изображают в виде круга и почему знаковое и беззнаковое сложение выполняется одними и теми же операциями add/sub. В общем, данные записываются во все 32 бита. И в знаковый тоже.

как может БЕЗЗНАКОВОЕ число равняться числу СО ЗНАКОМ?

А вот сравнивать их — ошибка, и не зря большинство компиляторов выводит предупреждение. Оба надо перевести либо в unsigned, либо в signed, либо в более крупный знаковый целый тип.

Comments

[Денис Курбатов]

Спасибо за ответ. Почитал про дополнительный код. Там тоже есть бит знака, никуда он не делся. И там тоже в байт со знаком влезает от 127 до -128. И этот код нужен, как я понял, для того, чтобы снизить сложность ПРОЦЕССОРА, а не ПО. В общем, пока вопрос открытый.

[Денис Курбатов]

Ivan Sokolov: Ну отлично, что регистру пофиг. Только при чём тут C++? Он не работает с регистрами, он работает с типами. Которые непонятно зачем знаковые.

Answer 3

[Antony]

зачем нужно было вообще вводить intptr_t если есть uintptr_t, в который адрес точно влезет?

А как вы собираетесь беззанковым типом выражать смешение одного адреса относительно другого?

Comments

[Денис Курбатов]

Простите, не понял. Переменная, как я понимаю, должна уметь содержать КОНКРЕТНЫЙ АДРЕС максимального возможного значения памяти, т.е. 2^32 - 1. При чём тут смещение?

[Antony]

Денис Курбатов: А если вам нужно хранить смещение одного адреса относительно другого?

[Денис Курбатов]

Antony: что мешает СМЕЩЕНИЕ хранить в знаковом типе, и АДРЕС - в беззнаковом? Или смещение тоже хранить в знаковом, при это отметив флагом, что это не адрес, а смещение относительно чего-либо? Или вообще запретить за пределами размерности выделять адрес?