为什么stdlib.h的abs()函数家族返回有符号值？

Question

man页中指出了这种情况的负面影响：

注意事项 尝试获取最小负整数的绝对值是未定义的。

为什么会这样？有何最佳解决方案可以避免未定义行为？我是否必须采取以下措施：

unsigned uabs(signed val) {
    return val > 0
        ? val
        : (val == 1U << ((sizeof(val) * 8) - 1))
            ? -1U
            : -val;
}

（故意使用hacky来强调对stdlib的不满;-）

示例

假设您有一个4位有符号值（为了易于理解）。 无符号最大值为15，有符号（正数）最大值为7，有符号（负数）最小值为-8，因此abs（-8）无法适应有符号值。 当然，可以将其表示为-8，但是对结果进行除法和乘法会产生预期之外的结果。

- cdleary

Answer 1

这个问题的真正答案在于类型提升规则。

如果我将算术运算符应用于一个unsigned int和一个int，那么int参数将被提升为unsigned，结果也是unsigned。

如果abs()函数返回unsigned，那么当它在表达式中被使用时，会导致其他值的这种类型提升，从而导致意外的结果。例如，下面的代码：

if (abs(-1) * -1 < 0)
    printf("< 0\n");
else
    printf(">= 0\n");

会打印出“>= 0”的结果，这个结果可能不受许多人的喜欢。为了避免无法使用单一值INT_MIN的代价，这种情况似乎是可以接受的。

- caf

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我可以购买这个——类型提升很复杂，你不能责怪任何人希望所有东西都适合有符号值。我想如果我能回到过去和委员会争论，我会说abs应该尽可能准确，并且C程序员已经必须知道如何处理函数返回类型和表达式中的类型提升，但我曾经把我的时间机器落在了公交车上。 - cdleary

另一方面的论点是，如果您已经在有符号值上进行算术运算，则需要检查下溢/上溢 - 这意味着您需要检查操作是否会产生低于“-INT_MAX”的结果，而不是INT_MIN，如果您将其传递给abs()。 - caf

同意这是一般情况的反驳。只是一个小细节的澄清：如果它是int的一种类型，你永远不必检查某些东西是否低于INT_MIN，所以在这个特定的unsigned abs(signed)情况下，在调用之前根本不需要检查参数。 - cdleary

这就是为什么我没有说你需要检查一个值是否低于INT_MIN - 相反，你需要检查计算结果是否会低于INT_MIN（因为这会导致有符号溢出，这是未定义的行为）。例如，如果你正在计算a-b，在正常情况下，你需要验证a>=INT_MIN+b - 如果你要将其传递给abs()，则需要将其更改为a>INT_MIN+b。 - caf

理论上，你仍然需要检查溢出，因为标准允许 INT_MAX == UINT_MAX。我不知道是否有任何实现这样做，但我认为在80年代这种可能性听起来是合理的。 - martinkunev

Answer 2

为什么会使用无符号空间返回值呢？

让我们考虑8位有符号和无符号数字。如果你有-128，结果是未定义的……我猜stdlib不想减慢速度那么多。如果你认为你可能有一个在那个范围内的数字，那么你需要使用其他东西。

如果你认为你的有符号字符中可能有一个大于127的值，那么你就错了。

因此，它不必能够容纳大于127的值，并且保持有符号不会失去任何东西。如果你想将它转换为无符号，那就去吧。由于它以前只是一个有符号整数，所以很有可能你将再次进行有符号运算。就我个人而言，我认为我更喜欢类型保持有符号，因为我实际上很少想要处理无符号并且我没有进行位操作。

但也许其他人可以从标准委员会挖出一些笔记。

- markets

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如果 abs 函数返回 unsigned，那么定义 abs(INT_MIN) 就不会有问题 - 这不会使计算变慢 - 标准的底层取反操作仍然可以正常工作。这不是问题所在 - 真正的问题是类型提升。 - caf

它不应该变慢——绝对值的常见汇编序列为((x + y) ^ y)，这对于最大负值产生无符号字是有效的。 - cdleary

我的意思是，你唯一的缺点就是如果你在INT_MIN处，这种情况非常罕见。我句子开头的“个人而言”暗示了caf提供的“类型”解释。我回答的主要重点是试图说服人们他们没有失去太多。 - markets