C++中数组的最大长度

最近写程序的时候，突然想到了这个问题：在C++中数组的长度有限制吗？我觉得肯定是有的，但限制是多少呢？经过了好长时间，我才勉强总结了一个答案。

宏观上的限制因素

• 首先，如果要确定一个数组的最大长度，我们需要知道它的数据类型，因此，数组的数据类型是其中一个限制因素。因为不同数据类型的元素大小不同。很显然（我们假设int为4字节，char为1字节），数据类型为char的数组的最大长度是类型为int的数组的4倍。

• 另外，我们不难想到，大小(size)的数据类型，也就是数组下标的数据类型，其实也是一个限制因素。在C/C++中，数组下标的类型是std::size_t，因此数组的大小首先不能超过size_t所能表示的大小。这个数据类型是在库文件stdio.h中通过typedef声明的，对于32位程序它被定义为unsighed int，对于64位程序定义为unsigned long。前者能表示的最大大小为2^32-1，后者为2^64-1。

• 然后，我又想到了物理内存的大小。这一点不用细说，因为程序运行时一旦超过物理内存的大小，这个程序就会立刻崩溃。

微观上的限制因素

上面几点都是比较笼统的限制，我们换一个高大上的表达——宏观上的限制因素。下面，我们介绍几个微观上的限制因素。

• 大家应该都知道，数组的分配方式大概有两种方式：静态分配和动态分配。再具体点儿的话，根据数组声明的位置，我们可以将数组分为局部数组和全局数组。这样讨论的话，就复杂了，我们暂时可以将数组分为四类（只是笔者本人这样划分，不知道官方是否有这样的分类）：静态分配的局部数组、动态分配的局部数组、静态分配的全局数组、动态分配的全局数组。

  • 第一种数组分配时，使用的是栈上的空间，因此静态分配得到的局部数组的大小受限于栈的大小。具体来说是数组所在函数栈帧的大小，当然栈帧的大小肯定不能超过栈的大小。如果你对编译器的使用比较熟悉或者你阅读过编译器文档的话，你应该知道如何调整栈帧的大小限制。在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将会提示溢出。
  • 对于第二种数组和第四种数组，我觉得应该划分为一类。本质上它们都是在堆上分配空间，因此它们的大小受限于堆的大小。堆是不连续的内存区域，堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存，因此堆的大小一般都比较大。
  • 至于第三种数组，我们知道它是在静态存储区分配内存空间，因此大小自然受限于静态存储区的大小，也叫做BSS（Block Started by Symbol）,在汇编语言中，我么也称之为数据段。目前我还不太清楚静态存储区的大小限制，我在我的电脑(Core i3-3110M, 内存8GB)上做过实验发现我所能分配的最大大小大约为剩余内存的1/2。网上有这样说的：“你的常量有多大就多大”，但是还有待考证。

Note:关于栈帧的概念可以参考《深入理解计算机系统》这本书，或者其他关于计算机体系结构的资料。

参考资料

• stackoverflow.com:Is there a max array length limit in C++?
• cppblog.com:静态存储区的大小
• 《深入理解计算机系统》第三版，机械工业出版社

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