比较整数时 C 中的奇怪行为

Question

我的mac环境遇到这个问题，gcc版本如下图：

Configured with: --prefix=/Library/Developer/CommandLineTools/usr --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.2.1
Apple LLVM version 7.0.2 (clang-700.1.81)
Target: x86_64-apple-darwin14.5.0
Thread model: posix

代码段来自函数之一。

int someFunction(int x, int n) {
    int TMin_n = -(1 << (n-1));
    int TMax_n = (1 << (n-1)) - 1;
    int a = -2147483648;
    printf("%s\n", x == a ? "true" : "false");      // true
    printf("%s\n", x <= TMax_n ? "true" : "false"); // false
    printf("%s\n", a <= TMax_n ? "true" : "false"); // true
    printf("%d %d %d\n", TMin_n, x, TMax_n);        // -2147483648 -2147483648 2147483647
    return 0;
}

a 等于 x，但为什么它们与 TMax_n 相比有不同的行为？

更新：

此代码段中的所有数据类型均为int。

UPDATE2：

谢谢大家。我刚刚在 ubuntu 机器上尝试了相同的代码，效果很好。它只卡在我的MAC上。似乎是编译器的问题。

Answer 1

这似乎是由于表达式 (1 << (n-1)) - 1 中未定义的行为，特别是在 (1 << (n-1)) 中，因为 1 被视为 int（可能是 32 位），然后表达式 (1 << (n-1)) 产生一个值比int 可表示的最大值大一。所以这个（中间）结果会导致有符号整数算术溢出，即 UB（参见cppreference）：

当有符号整数算术运算溢出时（结果 不适合结果类型），行为未定义：它可能会换行 根据表示规则（通常为 2 补充），它可能会在某些平台上或由于编译器选项而陷入困境 （例如 GCC 和 Clang 中的 -ftrapv），或者可以通过以下方式完全优化 编译器。

因此它可能适用于某些编译器，但可能不适用于其他编译器。 但是，如果您在 bitshift 之前强制转换为 unsigned int，溢出就会消失，您会回到定义（和预期）的行为：

(int) (((unsigned)1 << (n-1)) - 1)

顺便说一句：如果您在 C 编译器的“其他编译器选项”中设置 -ftrapv，则表达式 int TMin_n = -(1 << (n-1)) 和 int TMax_n = (1 << (n-1)) - 1 会导致运行时异常（例如 EXC_BAD_INSTRUCTION）。

Answer 2

我使用online clang compiler 尝试了您的 sn-p，并从问题中得到了结果。我假设代码（包括函数调用）被完全内联，然后编译器优化掉它发现的所有比较常量。

有问题的行似乎是：

int TMax_n = (1 << (n-1)) - 1;

如果我将(1 << (n-1)) 明确转换为unsigned，问题就会消失：

int TMax_n = (int) ((unsigned)(1 << (n-1)) - 1);