Существуют ли какие-либо фактические реализации, которые разрешают `char array[SIZE_MAX];` (или успешный эквивалент с использованием `malloc`)?

Я думаю, что все реализации C позволят вам объявить объект такого размера. ОС может отказаться загружать исполняемый файл из-за нехватки памяти.

Точно так же все библиотеки времени выполнения C позволят вам попытаться выделить этот размер памяти, однако это, вероятно, потерпит неудачу, поскольку памяти не так много, ни виртуальной, ни реальной.

Только подумайте: если size_t — это тип, равный размеру машинного слова (32 бита, 64 бита), то самая старшая адресуемая ячейка памяти (байт) равна 2^32 (или 2^64). Учитывая, что существуют более низкие векторы прерывания памяти, BIOS и ОС, не говоря уже о коде и данных вашей программы, такого объема памяти никогда не бывает.

О, теперь я вижу проблему. Предполагая коэффициент realloc ~ 1,5, есть два целочисленных ограничения. Во-первых, это SIZE_MAX/3, потому что выше этого size*3/2 будет переполнено. Но при этом большие младшие биты несущественны, и мы можем изменить порядок оператора на size/2*3, чтобы он все равно увеличивался примерно на 1,5 (что накладывает второй предел SIZE_MAX/3*2). Наконец, прибегайте к SIZE_MAX.

После этого нам остается только бинарным поиском определить сумму, которую система реально может выделить (в диапазоне от результата роста до минимально необходимого размера).

int
grow(char **data_p, size_t *size_p, size_t min)
{
    size_t size = *size_p;

    while (size < min)
        size = (size <= SIZE_MAX / 3     ? size * 3 / 2 :
                size <= SIZE_MAX / 3 * 2 ? size / 2 * 3 : SIZE_MAX);

    if (size != *size_p) {
        size_t ext = size - min;
        char *data;

        for (;; ext /= 2)
            if ((data = realloc(*data_p, size + ext)) || ext == 0)
               break;

        if (data == NULL) return -1; // ENOMEM

        *data_p = data;
        *size_p = size + ext;
    }
    return 0;
}

И никаких ограничений, зависящих от ОС или установленных вручную!

Как видите, первоначальный вопрос является следствием [вероятно] несовершенной реализации, которая не учитывает крайние случаи с уважением. Неважно, существуют или не существуют сейчас какие-либо сомнительные системы — любой алгоритм, который должен работать вблизи целочисленных пределов, должен надлежащим образом заботиться о них.

(Обратите внимание, что приведенный выше код предполагает использование символьных данных и не учитывает другие размеры элементов; его реализация может добавить более сложные проверки.)