为什么无符号整数可以小于零？

Question

我刚试了一下把一个无符号整数变成小于0的数，令人惊喜的是它起作用了！

#include<stdio.h>

int main(void)
{
        unsigned int foo = 5;
        foo -= 10;
        printf("%d", foo);
        return 0;
}

编译器版本

clang -Weverything main.c

该程序返回：

-5

根据这篇文章和我的个人了解，这是不可能的。但为什么它还能工作呢？我有什么遗漏吗？这是因为未定义行为吗？还是printf？或者是其他原因？

- Paul Kramme

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啊，这正是我所想的。那么我该如何更改呢？它是哪个实际值，我该如何检查它？ - Paul Kramme

printf效果已经得到了解答。现在，为了验证编译器并不真的认为foo是负数，请在结尾处添加以下内容：if(foo < 0) printf("this won't print"); - dxiv

哦，好吧。我的想法是将其用作机器人的状态持有者，这样我就不必保护零度以下的范围了。那么这是不可能的 :/ - Paul Kramme

Answer 1

这个程序使用printf将一个unsigned int的值重新解释为有符号整数。尽管当unsigned int的值也适合于int时，这不是问题，但它是未定义的行为:

如果任何参数与相应的转换说明符的正确类型不匹配，则行为是未定义的

解释: 从五中减去十“环绕”，所以基于您系统对unsigned int的表示，您会得到一个大数字。结果，这个大数字的位表示对应于您系统上负五的表示，因此当printf将该值重新解释为带符号的时，就会打印出负五。

为什么编译器没有任何通知呢？

请参见此问答，可能会有解释。

- Sergey Kalinichenko

Answer 2

printf()将foo的值解释为有符号整数。尝试用%u替换%d。

编辑：正如dasblinkenlight所说，这是未定义的行为。编程语言规范没有说明如果发生这种情况应该做什么，因此留给实现。有时可能会产生不同的结果，但在这种情况下，可能不会。

- user6557303

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谢谢，为什么编译器没有任何通知呢？其他函数看到了什么？ - Paul Kramme

编译器不会对所有未定义的行为发出警告。我清楚地记得曾经与某人争论过sizeof(void)的价值。Void没有大小，但我一直坚持它是4，因为我在做printf("%d\n", sizeof(void)); 另外，如果您想阅读的话，这个问题的另一个答案有关于如何将该值解释为-5的解释 :) - user6557303

未定义行为并不是显示不同的值。操作的结果是明确定义的。而 sizeof(void) 应该会生成一个错误。无论如何，%d 用于 size_t 也是未定义行为（就像 %u 一样）。 - too honest for this site

我很确定它说的是4，但我可能没有使用GCC（当时我使用的是Windows，无法记住我使用的编译器是什么。至少是2-3年前）。@Olaf谢谢你指出来，未定义行为是关于编程语言不规定行为，而不是在不同平台上有不同的结果。 - user6557303

如果您将“％d”替换为“％u”，则会得到一个值= 4294967291（根据int的大小可能会有所不同）。 - tryKuldeepTanwar

Answer 3

计算机上的数字以二进制补码形式存储。在无符号数范围内，用二进制补码表示的负数是有效的数字。处理器核心巧妙地实现了加法/减法/乘法/除法，使其不需要知道数字的符号即可执行这些操作。使用这个核心的C语言将这些数字传递给处理器的算术单元，该单元执行所请求的操作并返回结果。这就是为什么您在整数上得到了预期的结果。

- Ashwani