为什么在 C 和 C++ 中的算术运算之前必须将 short 转换为 int？

Question

从我从this question 得到的答案来看，似乎 C++ 在从 C 中执行算术运算时继承了将 short 转换为 int 的要求。我能否请您动动脑筋为什么首先在 C 中引入？为什么不直接以short 进行这些操作？

例如（取自 dyp 在 cmets 中的建议）：

short s = 1, t = 2 ;
auto  x = s + t ;

x 的类型为 int。

Answer 1

如果我们查看6.3.1.8 部分中的Rationale for International Standard—Programming Languages—C 通常的算术转换，它会说（强调我的未来）：

标准中关于这些转换的规则是轻微的 K&R 中的修改：修改适应添加的 类型和值保留规则。 显式许可证已添加到 以比绝对必要的“更广泛”的类型执行计算， 因为这有时会产生更小更快的代码，而不是 更频繁地提及正确答案。计算也可以 只要相同 得到最终结果。显式转换总是可以用来获得 所需类型的值

来自draft C99 standard 的

Section 6.3.1.8 涵盖了应用于算术表达式操作数的常用算术转换，例如6.5.6 Additive operators 部分说：

如果两个操作数都有算术类型，通常的算术 对它们执行转换。

我们在6.5.5 Multiplicative operators 部分也发现了类似的文字。对于 short 操作数，首先从6.3.1.1 Boolean, characters, and integers 部分应用 integer Promotion，该部分表示：

如果一个 int 可以表示原始类型的所有值，则该值为 转换为 int；否则，它将转换为无符号整数。 这些被称为整数促销。⁴⁸⁾所有其他类型都是 整数促销保持不变。

Rationale or International Standard-Programming Languages-C 的6.3.1.1 部分关于整数提升 的讨论实际上更有趣，我将选择性地引用 b /c 太长，无法完整引用：

实施分为两大阵营 作为无符号保留和价值保留。

[...]

无符号保留方法要求促进两个较小的 无符号类型为无符号整数。这是一个简单的规则，并产生一个 与执行环境无关的类型。

保值方法要求将这些类型推广到 如果该类型可以正确表示 原始类型，否则用于将这些类型提升为无符号 诠释。因此，如果执行环境将 short 表示为某物 小于 int，unsigned short 变为 int；否则它变成 无符号整数。

正如Inconsistent behaviour of implicit conversion between unsigned and bigger signed types 所展示的那样，在某些情况下，这可能会产生一些相当出乎意料的结果，这样的例子还有很多。尽管在大多数情况下，这会导致操作按预期进行。

Answer 2

这与其说是语言的特性，不如说是对运行代码的物理处理器架构的限制。 C 语言中的 int 类型通常是标准 CPU 寄存器的大小。更多硅片占用更多空间和更多功率，因此在许多情况下只能对“自然大小”数据类型进行算术运算。这并非普遍正确，但大多数架构仍然存在此限制。换句话说，当添加两个 8 位数字时，处理器中实际发生的是某种类型的 32 位算术，然后是简单的位掩码或其他适当的类型转换。

Answer 3

short 和 char 类型被认为是标准的“存储类型”，即您可以用来节省一些空间但不会为您带来任何速度的子范围，因为它们的大小是“不自然的” " 代表 CPU。

在某些 CPU 上这是不正确的，但好的编译器足够聪明，可以注意到，如果你例如将常量添加到 unsigned char 并将结果存储回 unsigned char 中，则无需进行 unsigned char -> int 转换。 例如用 g++ 为内部循环生成的代码

void incbuf(unsigned char *buf, int size) {
    for (int i=0; i<size; i++) {
        buf[i] = buf[i] + 1;
    }
}

只是

.L3:
    addb    $1, (%rdi,%rax)
    addq    $1, %rax
    cmpl    %eax, %esi
    jg  .L3
.L1:

您可以看到使用了无符号字符加法指令 (addb)。

如果您在短整数之间进行计算并将结果存储在短整数中，也会发生同样的情况。

Answer 4

链接的问题似乎很好地涵盖了它：CPU 只是没有。 32 位 CPU 具有为 32 位寄存器设置的本机算术运算。处理器更喜欢以它最喜欢的大小工作，对于这样的操作，将一个小值复制到本机大小的寄存器是很便宜的。 （对于 x86 架构，32 位寄存器被命名为好像它们是 16 位寄存器的扩展版本（eax 到 ax、ebx 到 bx 等）；参见 x86 integer instructions） .

对于一些极其常见的操作，尤其是向量/浮点算术，可能会有专门的指令对不同的寄存器类型或大小进行操作。对于短的东西，用（最多）16位零填充几乎没有性能成本，并且添加专门的指令可能不值得在模具上花费时间或空间（如果你想真正了解原因；我不确定它们是否会占用实际空间，但它确实变得更加复杂）。