C++ 中无符号字符的溢出答案

【问题标题】：Overflow of an unsigned char in C++C++ 中无符号字符的溢出
【发布时间】：2020-06-07 09:39:01
【问题描述】：

我在这里https://www.toptal.com/c-plus-plus/interview-questions 找到了以下代码sn-p，问题是：这个循环将执行多少次？解释你的答案

unsigned char half_limit = 150;

for (unsigned char i = 0; i < 2 * half_limit; ++i)
{
    // do something;
}

答案是无限的。

表达式 2 * half_limit 将被提升为 int（基于 C++ 转换规则），其值为 300。但是，由于我是一个无符号字符，它由一个 8 位值重新表示，之后达到 255，将溢出（所以它会回到 0）和循环因此将永远持续下去。

我猜了 45 次 (300-255)，因为我记得如果你增加一个无符号整数计数器，当它溢出时计数器会再次从 0 开始。好的，所以它从整数转换为无符号字符，那为什么不是 255 呢？

谢谢

【问题讨论】：

解释中有什么不明白的地方？如果不重复完全相同的2 * half_limit 被提升为int，很难回答，它的值是300，而i 永远不能是>300，因为它是unsigned char。
答案是未定义的行为，除非您可以证明循环体具有可观察到的效果。没有可观察行为的无限循环是 UB，可以完全优化。
你说的是Okay, so it casts from an integer to an unsigned char, why its not 255 then?，但就在你之前提到The expression 2 * half_limit will get promoted to an int
@FrançoisAndrieux 我们不知道// do something; 是否有可观察到的行为。
@Ayxan 好吧，这是一条评论，所以我们知道它什么都不做 :) 如果有我们不知道的东西来代替评论，那么答案是：我们不知道知道。

标签： c++ casting overflow

【解决方案1】：

那为什么不是 255 呢？

因为 255 小于 300。在下一次迭代中，i 将是 0，也小于 300。8 位整数表示的数字不能达到 300。

从技术上讲，正确的答案是迭代次数取决于unsigned char 的大小。在使用 16 位字节的系统上，不会有问题。

答案的另一个问题是语言中不允许“无限”循环，除非在循环中采取某些操作 - 例如生成一些输出。所以实际上，示例程序具有未定义的行为（假设为 8 位字节）。引用自标准：

[intro.progress]

实现可能假设任何线程最终都会做一个以下内容：

终止，

调用库 I/O 函数，

通过易失性左值执行访问，或

执行同步操作或原子操作。

[ 注意：这是为了允许编译器转换，例如删除空循环，即使无法证明终止。 - 结尾注意]

【讨论】：

【解决方案2】：

小于int 的类型的算术首先将它们提升为int。因此2 * half_limit 是300。假设unsigned char可以表示的最大值是255，那么i的所有值都可能满足i < 2 * half_limit，因此这是一个无限循环。

【讨论】：

【解决方案3】：

2 * half_limit

等同于：

int(2) * int(half_limit)

half_limit 被提升为整数进行乘法运算，表达式的结果为 300。因此，

i < 2 * half_limit

变成

i < int(300)

i 被提升为 int 以进行实际比较，但由于 i 是无符号字符，它永远不能大于 255（假设我们的无符号字符是 8 位），因此比较有效：

int(smaller than 256) < int(300)

当然，这总是正确的。

【讨论】：

【解决方案4】：

#include <iostream>

int main(int argc,char* argv[]){

    unsigned char half_limit = 150;

    for (unsigned char i = 0; i < 2 * half_limit; ++i)
    {
        printf("%.2X\n", i);
    }
}

使用 mingw g++ 编译此代码。给了我一个无限循环，打印十六进制 i 的值表明它每次溢出时都会重置。也许当它溢出时它会设置一个标志.. 如果我错了，请纠正我

【讨论】：