如何安全地在 unsigned int 和 int 之间进行 static_cast？

Question

我有一个包含8个字符的string，代表十六进制数，我需要将其转换为int。这个转换必须保留字符串"80000000"及以上的位模式，即这些数应该转换为负数。不幸的是，朴素的解决方案：

int hex_str_to_int(const string hexStr)
{    
    stringstream strm;
    strm << hex << hexStr;
    unsigned int val = 0;
    strm >> val;
    return static_cast<int>(val);
}

如果val > MAX_INT，则该代码在我的编译器上无法工作（返回值为0）。 将val的类型更改为int也会对大数产生0结果。 我已经尝试了来自stackoverflow各种答案的不同解决方案，但仍未成功。

以下是我所知道的：

• 我在OpenVMS上使用HP的C ++编译器（我相信使用Itanium处理器）。
• sizeof(int)在我代码将运行的每种体系结构上至少为4。
• 从一个大于INT_MAX的数字强制转换到int的行为因实现而异。 在我的机器上，它通常会得到0，但有趣的是，当将值从long转换为int时，结果为INT_MAX。

这似乎非常难以正确执行，或者至少对我来说是这样。 有人知道一个可移植的解决方案吗？

更新：

将static_cast更改为reinterpret_cast会导致编译器错误。 一条评论提示我尝试使用C风格的转换：return (int)val在上面的代码中，这起作用了。 在这台机器上。 在其他体系结构上是否仍然安全？

- Michael Kristofik

---

只是使用(int)val不行吗？然而，“将val的类型更改为int也会导致0...”这意味着问题可能来自于>>吗？（我真的不知道，我不使用C++ ;-) - user166390

有符号整数溢出不是实现定义的，而是未定义的。 - derobert

@derobert，感谢回复，我不太确定。我知道它不好。已相应更新了问题。 - Michael Kristofik

如果无符号数不在有符号类型的范围内，则将其从无符号转换为有符号是实现定义的。 - JohnPS

@derobert：这不是有符号溢出，而是整数转换，其结果是实现定义的。 - ildjarn

Answer 1

引用C++03标准，§4.7/3（整数转换）：

如果目标类型为有符号类型，则如果值可以在目标类型（和位域宽度）中表示，则该值不变；否则，该值是实现定义的。

由于结果具有实现定义性质，根据定义，不可能存在真正意义上的可移植解决方案。

- ildjarn

Answer 2

虽然有使用类型转换和转换的方式可以实现这一点，但大多数方式依赖未定义的行为，这些行为在某些计算机/编译器上可能具有良好定义的行为。而不是依赖于未定义的行为，我们可以复制数据：

int signed_val;
std::memcpy (&signed_val, &val, sizeof(int));
return signed_val;

- David Hammen

---

实现定义行为，而非未定义行为。 - ildjarn

@ildjarn：一个广泛使用的方法是 return *(int*)(&val);。这不是实现定义行为，而是未定义行为。 - David Hammen

啊，那相当于 reinterpret_cast，这确实是未定义行为；我以为你指的是 OP 问题中的 static_cast，其行为是实现定义的。 - ildjarn

为什么它是未定义行为？ - Friedrich

@EmileCormier - 即使在最低优化级别下，调用memcpy也不会发生，因此它非常快；我使用多个编译器进行了测试。在除了最低优化级别以外的任何情况下，它都非常快，因为工作变量（我的答案中的signed_val）被优化掉了。我怀疑这些优化在我9年前写上述答案之前就已经存在了。即使是标准的原始版本，也肯定有as-if规则。这是一条规则，可以消除对memcpy的调用。 - David Hammen

Answer 3

你可以通过对一个无符号二进制补码数取反再加一来对其进行否定。因此，让我们对负数这样做：

if (val < 0x80000000) // positive values need no conversion
  return val;
if (val == 0x80000000) // Complement-and-addition will overflow, so special case this
  return -0x80000000; // aka INT_MIN
else
  return -(int)(~val + 1);

假设您的整数使用32位二进制补码表示（或具有类似的范围）。它不依赖于任何与带符号整数溢出相关的未定义行为（请注意，无符号整数溢出的行为是明确定义的 - 尽管这里也不应该发生！）。

请注意，如果您的整数不是32位，则会变得更加复杂。您可能需要使用像~(~0U >> 1)这样的东西，而不是0x80000000。另外，如果您的整数不是二进制补码，则在某些值上可能会出现溢出问题（例如，在采用一补码机器时，无法用32位带符号整数表示-0x80000000）。然而，非二进制补码机器在今天非常罕见，所以这不太可能成为一个问题。

- bdonlan

---

是的，我相信这段代码将来可能会在64位环境中运行。像这样硬编码比特模式可能不是一个好主意。不过这个解决方案在这台机器上是有效的。 - Michael Kristofik

大多数64位环境使用32位整数。无论如何，您可以使用“（（unsigned yourinttype）0 >> 1）”来找到其他无符号整数类型（例如“unsigned long long”）的正确值。 - bdonlan

Answer 4

这是我用过的另一种解决方案：

以下是代码：

if (val <= INT_MAX) {
    return static_cast<int>(val);
}
else {
    int ret = static_cast<int>(val & ~INT_MIN);
    return ret | INT_MIN;
}

如果我屏蔽高位，转换时就可以避免溢出。然后再安全地进行OR操作。

- Michael Kristofik

Answer 5

C++20将添加std::bit_cast函数，可按位完全复制数据：

#include <bit>
#include <cassert>
#include <iostream>

int main()
{
    int i = -42;
    auto u = std::bit_cast<unsigned>(i);
    // Prints 4294967254 on two's compliment platforms where int is 32 bits
    std::cout << u << "\n";

    auto roundtripped = std::bit_cast<int>(u);
    assert(roundtripped == i);
    std::cout << roundtripped << "\n"; // Prints -42

    return 0;
}

cppreference展示了一个如何通过memcpy实现自己的bit_cast的例子（见Notes）。

虽然OpenVMS不太可能很快获得C++20支持，但我希望这个答案能够帮助到通过互联网搜索找到同样问题的人。

- Emile Cormier

---

值得注意的是，memcpy 方法与此答案匹配 https://dev59.com/H2sz5IYBdhLWcg3w3r4K#7602036 - Michael Kristofik

Answer 6

unsigned int u = ~0U;
int s = *reinterpret_cast<int*>(&u); // -1

相反地：

int s = -1;
unsigned int u = *reinterpret_cast<unsigned int*>(&s); // all ones

- Papayaved