C语言中的无符号整数数据类型

Question

请帮我区分C语言中以下代码的不同之处：

代码1：

#include<stdio.h>
#include <stdint.h>

uint8_t fb(int a)
{
    return -3;
}

int main()
{
    int a = fb(-3);
    printf("%d",a);
    return 0;
}

代码 2：

#include<stdio.h>

unsigned int fb(int a)
{
    return -3;
}

int main()
{
    int a = fb(-3);
    printf("%d",a);
    return 0;
}

问题在于第一段代码按预期返回253，但是第二段代码返回了-3，这是不符合预期的，因为返回类型应该是无符号的。请问这是怎么可能的呢？

我使用的是Mingw GCC编译器。

- user3798282

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答案是否假定“mingw gcc”是唯一的平台？ - Deduplicator

Answer 1

在第一个程序中，

1. 当函数返回时，将类型为 int 的 -3（FFFFFFFD）强制转换为 uint8_t，结果是 253（FD）。高位字节被丢弃以适应。
2. 当执行赋值操作时，将类型为 uint8_t 的 253（FD）强制转换为带符号的 int 类型，通过符号扩展为 253（000000FD）。

在第二个程序中，

1. 当函数返回时，将类型为 int 的 -3（FFFFFFFD）强制转换为无符号的 unsigned int 类型，结果是 4294967293（FFFFFFFD）。不需要丢弃任何字节。
   
2. 当执行赋值操作时，将类型为 unsigned int 的 4294967293（FFFFFFFD）强制转换为 int 类型，结果为 -3（FFFFFFFD）。

备注：

• 假设使用32位整数，但64位整数也是类似的情况。
• 这是对发生的情况的解释，不一定符合 C 规范。

- ikegami

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我不明白您的意思。能否请您举更多例子来说明？谢谢！ - user3798282

规则、例外、其他平台、解释或任何其他内容没有被提及吗？ - Deduplicator

转换规则是不同的，但是如果做出正确的假设，包括适当地定义超出范围的转换为有符号数，这可能会发生。仍然没有提到规则或所有假设（OP从未说过他只想要x86 win-32位和/或win-64位）。 - Deduplicator

Answer 2

有符号整数转换为无符号整数的规则由draft C99 standard中的第6.3.1.3节“有符号和无符号整数”确定，该节表示：

否则，如果新类型是无符号的，则通过重复添加或减去一个比新类型中可以表示的最大值多1的值，直到该值在新类型的范围内为止进行转换。⁴⁹⁾ 这意味着将会通过加上UMAX+1来将-3转换。对于uint8_t，这是一个相对较小的值253，它适合于带符号整数，并因此没有问题地转换为带符号整数。

在你提到的第二种情况中，返回值是无符号整型unsigned int，在转换后我们会得到一个相当大的值，实际上是std::numeric_limits<unsigned int>::max() + 1 - 3。这个值将无法适应有符号整型signed int，这是溢出，因此根据第6.5段第5条所述，这是未定义行为：

如果在表达式求值期间发生异常情况（即结果在数学上没有定义或不在其类型可表示的范围内），则行为未定义。

- Shafik Yaghmour

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非常感谢您：）愿上帝保佑您。 - user3798282

等待更多回复。 :) - user3798282

Answer 3

将整数类型转换为无符号整数类型的规则很简单：
根据需要添加/减去（目标类型的最大值+1）。

将整数类型转换为有符号整数类型的规则更简单：
保留值，如果超出范围，则转换未定义。
大多数现代实现（所有Windows平台上）定义为添加/减去与相应的unsigned类型相同的常量，直到适合为止。

使用这些规则，在第一个示例中从fb()返回的转换是保留值并且正确的：
-3 -> 256-3 = 253 -> 253

第二个示例中的返回值超出范围，因此具有未定义的行为，尽管通常情况下：
-3 -> 2^{CHAR_BIT*sizeof(int)}-3 -> -3

额外的事实：

• 将有可变参数的函数传递给需要相应另一种类型的已签名/无符号类型是允许的，尽管无法转换原始值，并且将被视为指定类型。
• CHAR_BIT 是一个预处理器常量，给出了一个字节中的位数。
• sizeof 是一种运算符，用于获取类型/变量的字节数。

- Deduplicator

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无法理解2 **（CHAR_BIT * sizeof（int））语句？请帮忙，我是初学者。 - user3798282

我已经添加了你要求的那些常量的定义。 - Deduplicator

非常感谢您 :) 愿上帝保佑您。如果您能再解释一下，对我和其他人都会非常有帮助。 - user3798282

Answer 4

无符号整数应该使用%u而不是%d进行打印。

- in need of help

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虽然没有“unsigned”变量需要打印。 - Deduplicator

在问题中指定了“返回类型为无符号”，代码中也是如此，但当你使用%d打印时，实际类型并不重要，它将打印一个有符号整数，因此要打印无符号值，你需要使用%u。 - in need of help

返回类型为无符号，但被赋值给了有符号变量。 - Deduplicator

@Deduplicator，你的回答非常好而且正确。然而，当你想要打印一个int时，无论变量是声明为int还是unsigned int都没有关系。系统只会分配相同的32位（或64位，取决于系统），然后当你请求打印时，它会查看％d或％u并以那种方式显示这32位。 我的答案将修复所谓的“错误”，这个错误在于显示而不是变量本身的值。 - in need of help

这个“答案”只是一个评论，甚至没有尝试回答问题。 - ikegami