C 中类型转换和按位运算的结果取决于顺序

Question

我试图在不使用头文件<limit.h> 的情况下打印int, char, short, long 的最小值。所以按位运算将是一个不错的选择。但奇怪的事情发生了。

声明

printf("The minimum of short: %d\n", ~(((unsigned short)~0) >> 1));

给我

The minimum of short: -32768

但是声明

printf("The minimum of short: %d\n", ~((~(unsigned short)0) >> 1));

给我

The minimum of short: 0

这种现象也出现在char。但它不会出现在long, int 中。为什么会这样？

值得一提的是，我使用 VS Code 作为我的编辑器。当我在语句中将光标移到unsigned char 时

printf("The minimum of char: %d\n", (short)~((~(unsigned char)0) >> 1));

它给了我一个提示(int) 0，而不是我预期的(unsigned char)0。为什么会这样？

Answer 1

首先，您的任何代码都不是真正可靠的，也不会达到您的预期。

printf 和所有其他可变参数长度函数都有一个功能失调的“功能”，称为默认参数提升。这意味着传递的参数的实际类型会进行静默提升。小整数类型（例如char 和short）被提升为带符号的int。 （并且 float 被提升为 double。）Tl;dr：printf 是一个疯狂的函数。

因此你可以在各种小整数类型之间随意转换，最后还是会有升级到int。如果您为预期类型使用正确的格式说明符，这没有问题，但您没有使用%d，它是int。

此外，~ 运算符与 C 中的大多数运算符一样，对其操作数执行隐式整数提升。见Implicit type promotion rules。

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话虽如此，这行~((~(unsigned short)0) >> 1) 执行以下操作：

• 获取int 类型的文字0 并转换为unsigned short。

• 通过隐式整数提升将 unsigned short 隐式提升回 int。

• 计算int 值0 的按位补码。这是0xFF...FF hex，-1 dec，假设是 2 的补码。

• 将此int 右移 1。在这里，您在移动负整数时调用实现定义的行为。 C允许这导致逻辑移位=移位零，或算术移位=符号位移位。编译器到编译器的结果不同且不可移植。

  在逻辑移位的情况下你会得到0x7F...FF，在算术移位的情况下你会得到0xFF...FF。在这种情况下，它似乎是后者，这意味着您在移位后仍然有十进制 -1。

• 您对0xFF...FF = -1 进行按位补码，得到0。

• 您将此投射到short。还是0。

• 默认参数提升将其转换为int。还是0。

• %d 需要 int，因此会相应地打印。 unsigned short 用%hu 打印，short 用%hd 打印。使用正确的格式说明符应该会取消默认参数提升的效果。

建议：研究隐式类型提升，避免在有符号类型的操作数上使用位运算符。

要简单地显示各种有符号类型的最低 2 的补码值，您必须对无符号类型进行一些技巧，因为对其有符号版本的按位运算是不可靠的。示例：

int shift = sizeof(short)*8 - 1;  // 15 bits on sane systems
short s = (short) (1u << shift);
printf("%hd\n", s);

这会将 unsigned int 1u 移动 15 位，然后以某种“实现定义的方式”将其结果转换为 short，这意味着在二进制补码系统上，您最终会将 0x8000 转换为 -32768。

然后给printf 提供正确的格式说明符，您将从那里得到预期的结果。