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C++ 中有符号数与无符号数的隐式转换与运算陷阱

news 来源：原创 2024/9/28 21:39:55

尽管我们不会故意给无符号对象赋一个负值，却可能写出这样的代码。例如，当一个算术表达式既有无符号数又有int值时，那个int值就会转换成无符号数。把int转换成无符号数的过程和把int直接赋给无符号变量一样：

#include <iostream>int main() {unsigned u = 10, u2 = 42;std::cout << "u2 - u  =" << u2 - u << std::endl;std::cout << "u  - u2 =" << u - u2 << std::endl;int i = 10, i2 = 42;std::cout << "i2 - i  =" << i2 - i << std::endl;std::cout << "i  - i2 =" << i - i2 << std::endl;u = 42;i = 10;std::cout << "i  - u  =" << i - u << std::endl;std::cout << "u  - i  =" << u - i << std::endl;u = 10;i = -42;std::cout << "i  - i  =" << i + i << std::endl;  // prints -84std::cout << "u  - i  =" << u + i << std::endl;  // if 32-bit ints, prints 4294967264i = 10;std::cout << "good" << std::endl;while (i >= 0) {std::cout << i << " ";--i;}std::cout << std::endl;for (int i = 10; i >= 0; --i)std::cout << i << " ";std::cout << std::endl;for (unsigned u = 0; u <= 10; ++u)std::cout << u << " ";  // prints 0 . . . 10std::cout << std::endl;/* NOTE: the condition in the following loopwill run indefinitely// WRONG: u can never be less than 0; the condition will always succeedfor (unsigned u = 10; u >= 0; --u)std::cout << u << std::endl;
*/u = 11; // start the loop one past the first element we want to printwhile (u > 0) {--u;        // decrement first, so that the last iteration will print 0std::cout << u << " ";}std::cout << std::endl;// be wary of comparing ints and unsignedu = 10;i = -42;if (i < u)               // false: i is converted to unsignedstd::cout << i << std::endl;elsestd::cout << u << std::endl;   // prints 10u = 42;u2 = 10;std::cout << "u  - u2  =" << u - u2 << std::endl; // ok: result is 32std::cout << "u2 - u   =" << u2 - u << std::endl; // ok: but the result will wrap around
}

输出：

u2 - u  =32
u  - u2 =4294967264
i2 - i  =32
i  - i2 =-32
i  - u  =4294967264
u  - i  =32
i  - i  =-84
u  - i  =4294967264
good
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 
10
u  - u2  =32
u2 - u   =4294967264

有符号数与无符号数的转换规则

隐式转换：当有符号数与无符号数一起使用时，有符号数会被隐式转换为无符号数。这可能导致负数转换为一个很大的正数。
```
int a = -1;
unsigned b = 1;
if (a < b) {// 实际上a被转换为无符号数，变成了一个很大的正数
}
```
显式转换：可以使用类型转换运算符显式地将一个有符号数转换为无符号数，或反之。需要注意的是，这样的转换可能会导致意料之外的结果。
```
int a = -42;
unsigned b = static_cast<unsigned>(a); // b现在是一个很大的正数
```

无符号数的特性

零或正数：无符号数总是表示零或正数，没有负数。
溢出行为：当无符号数的值超出其表示范围时，它会绕回到零。例如，假设unsigned int的最大值为4294967295，如果再加1，就会变成0。
```
unsigned int max = 4294967295;
max += 1; // 结果是0
```

有符号数与无符号数运算中的常见问题

混合运算：在有符号数和无符号数混合运算时，结果可能不符合预期。

unsigned u = 10;
int i = -3;
std::cout << u + i << std::endl; // i被转换为无符号数，导致结果出乎意料

循环控制：在控制循环的条件中，如果使用无符号数作为循环变量，要特别小心，因为它永远不会小于0。
```
for (unsigned u = 10; u >= 0; --u) {std::cout << u << std::endl; // 无限循环
}
```

C++标准中的相关定义

整数提升：当执行二元运算时，C++标准要求对操作数进行整数提升。例如，有符号char、short等会被提升为int，无符号的会被提升为unsigned int。
```
char c = 'a';
int result = c + 1; // 'a'被提升为int，然后再进行加法运算
```
算术转换：在进行二元运算时，如果两个操作数类型不同，C++会进行算术转换，将较低等级的类型转换为较高等级的类型。
```
unsigned u = 42;
int i = -42;
std::cout << i + u << std::endl; // i被转换为无符号数
```