为什么 std::(i)ostream 将有符号/无符号字符视为文本而不是整数？答案

【问题标题】：Why std::(i)ostream treat signed / unsigned char as a text and not an integer?为什么 std::(i)ostream 将有符号/无符号字符视为文本而不是整数？
【发布时间】：2016-04-25 14:34:25
【问题描述】：

这段代码没有做它应该做的事情：

#include <iostream>
#include <cstdint>

int main()
{
    uint8_t small_integer;
    std::cin >> small_integer;
    std::cout << small_integer;
}

原因很简单：uint8_t 是 unsigned char 的类型定义，流将这种类型视为文本：
Visual C++ 2015 实现

template<class _Traits> inline
    basic_istream<char, _Traits>& operator>>(
        basic_istream<char, _Traits>& _Istr, unsigned char& _Ch)
    {    // extract an unsigned char
    return (_Istr >> (char&)_Ch);
    }

还有一个类似的代码，将char 转换为operator <<。

我的问题：

标准是否要求这种行为（流式操作符将有符号/无符号字符视为字符类型而不是整数）？如果是那么：
1. 这种违反直觉的语义背后的基本原理是什么？
2. 这是否应该被视为缺陷，是否有建议更改此语义？

我可能应该添加一点解释，为什么我认为它违反直觉。尽管类型名称包含单词 char，但 signed 或 unsigned 部分指定了特定的整数语义，并且这些类型通常用作字节大小的整数。甚至标准都通过它们定义了int8_t/uint8_t。

UPD：问题是关于unsigned char 和signed char 的流式运算符重载的行为。

【问题讨论】：

这很烦人。我使用了自己的 to_string 函数，它将 (u)int8_t 视为整数，同时将 char 视为字符。我为 uint8_t、int8_t 和 char 添加了单独的特化，因为我假设它对于那些不是三种不同类型的完全有效。
不是您的问题的答案，但已提议使用std::byte 来解决此问题。
@Praetorian，虽然这确实是一个有趣的提议，但它解决了一个完全不同的问题。
@Matt 我会假设编译器无法区分 int8_t 和 char 作为参数列表中的类型。您的to_string 是否真的按照您的预期工作？
如果int8_t 或uint8_t 是char 的typedef 则不能工作，但如果它们是signed char 和unsigned char 的typedef 则可以工作。

标签： c++ language-lawyer

【解决方案1】：

标准 (n3797) 规定如下：

27.7.2.2.3 basic_istream::operator>>

template<class charT, class traits> 
basic_istream<charT,traits>& operator>>(basic_istream<charT,traits>& in, charT& c);

template<class traits> 
basic_istream<char,traits>& operator>>(basic_istream<char,traits>& in, unsigned char& c);

template<class traits> 
basic_istream<char,traits>& operator>>(basic_istream<char,traits>& in, signed char& c);

12 效果：行为类似于 in 的格式化输入成员（如 27.7.2.2.1 中所述）。在构造哨兵对象后从 in 中提取一个字符，如果有可用的，并存储在 c 中。否则，函数调用 in.setstate(failbit)。

27.7.3.6.4 字符插入功能模板

// specialization 
template<class traits> 
basic_ostream<char,traits>& operator<<(basic_ostream<char,traits>& out, char c); 

// signed and unsigned 
template<class traits> 
basic_ostream<char,traits>& operator<<(basic_ostream<char,traits>& out, signed char c); 

template<class traits> 
basic_ostream<char,traits>& operator<<(basic_ostream<char,traits>& out, unsigned char c);

1 效果：表现为 out 的格式化输出函数 (27.7.3.6.1)。构造一个字符序列 seq。如果 c 的类型为 char 且流的字符类型不是 char，则 seq 由 out.widen(c) 组成；否则 seq 由 c 组成。确定 seq 的填充，如 27.7.3.6.1 中所述。将 seq 插入到 out 中。调用 os.width(0)。

所以第一个问题的答案是：是的，标准要求operator >> 和operator << 对于char、unsigned char 和signed char 的行为完全相同，即它们读/写单个字符，而不是整数。不幸的是，标准没有解释原因。我希望有人能阐明 2 和 3。

【讨论】：

【解决方案2】：

标准是否要求这种行为？如果是的话：

您已经回答了这个问题。是的，标准定义了 iostreams 应该如何处理有符号和无符号字符。

这种违反直觉的语义背后的基本原理是什么？

因为signed char 和unsigned char 是字符类型，所以它们总是被iostreams 类视为字符。

线索在名称中：signed char 是有符号字符类型。 unsigned char 是无符号字符类型。其他整数类型的名称中包含 int（即使它有时是可选的，例如 short 和 long unsigned 分别与 short int 和 long unsigned int 相同）。

标准不需要说明为什么这是正确的，因为它不是设计文档或 C 和 C++ 历史的基本原理，而是规范。

如果您想要一个行为类似于只有 8 位的整数的类型，那么您需要创建自己的类型（例如，使用枚举类型或保存值的结构）并定义相关的运算符重载。

这是否应该被视为缺陷，是否有建议更改此语义？

不，我不这么认为。它们一直是字符类型，要更改它会破坏太多代码。

【讨论】：