使用有符号枚举值进行位运算

Question

我正在使用枚举值来表示标志：

typedef enum
{
    a = 0x00,
    b = 0x01u, // the u has no influence, as expected
    c = 0x02u, // the u has no influence, as expected
...
} enum_name;

volatile unsigned char* reg = SomeAddress;
*reg |= b;

根据MISRA-C:2004标准，不应使用带符号类型进行按位操作。不幸的是，我的编译器IAR将有符号整数（或short或char）用作枚举的底层类型，我能找到的唯一选项只涉及大小，而不涉及有符号性（“--enum-is-int”）。

- lkanab

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当然我可以进行强制类型转换，但我正在寻找一种更全面的方法。 - lkanab

“全面方法”是什么意思？就像大多数MISRA规则一样，它们告诉您要避免完全正确的代码。这是完全正确的代码。为了符合规定，您将不得不使用冗余转换使代码变劣。 - M.M

首选选项是：volatile unsigned char *reg =（volatile unsigned char *）SomeAddress; - M.M

MISRA 可能是许多胡言乱语，但在某些行业中它是事实上的标准。你可能是对的，但祝你好运。 - lkanab

您是否需要履行MISRA-C合规矩阵？如果是这样，我看不出当前接受的答案如何有所帮助。在我看来，您正在混淆MISRA-C的底层类型概念和编译器的实现。底层类型是MISRA用来警告开发人员整数提升的微妙和有时危险影响的抽象。在这种情况下，正如Serge所提到的，有符号操作数依赖于位运算的实现特定行为。通常需要记录偏差记录以记录对此的认识。 - Veriloud

Answer 1

无论底层类型是有符号还是无符号，只要您仅使用正值作为枚举值，就没有关系，因为正值应具有与有符号或无符号类型相同的表示。标准在6.2.6.2类型表示/整数类型§5中说：带有零号位的有效（非trap）有符号整数类型对象表示是相应无符号类型的有效对象表示，并且应表示相同的值。 所以如果需要，您可以安全地将其转换为无符号类型。无论如何，如果底层类型是char（或者是unsigned char），在任何计算之前都可以（悄悄地）提升为int。

我认为MISRA-C:2004规定不应使用带符号类型进行位运算，因为标准明确指出负数的表示是实现定义的：

对于有符号整数类型，对象表示的位应分为三组：值位、填充位和符号位。不需要填充位；应该恰好有一个符号位...如果符号位为1，则应按以下方式修改值:

- 具有符号位0的相应值被取反（符号和大小）; - 符号位的值为-(2N)（二进制补码）; - 符号位的值为-(2N-1)（一的补码）。 - 应用哪个是实现定义的

TL/DR：如果没有警告（对于位或运算符|，您不应该有警告），则可以完全不使用转换。如果将正值转换为无符号类型，则表示不变，因此，如果您（或您的公司规定）选择遵循MISRA-C，也可以安全地将其转换为无符号类型。

- Serge Ballesta

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当您使用补码时，符号确实很重要： *ret &= ~b; （这正是IAR的CSTAT所认为的）。 - lkanab

对于非二进制补码机器，这是可以想象的，会出现问题：~b 具有正确的反转位模式，但是在有符号类型中。如果 *ret 具有无符号类型，则从有符号到无符号的转换会更改位模式。 - Potatoswatter

据我所知，枚举类型的底层类型无论如何都是 int。你可以通过添加一个枚举值 force_unsigned = -1u 来强制将底层类型设置为 unsigned。但是，其他的枚举值仍然是 int 类型的，实际上在表达式中命名 force_unsigned 会导致整数溢出。（不过这个技巧在 C++ 中可行。） - Potatoswatter

@lkanab 对于 ~ 运算符，符号并不重要。更确切地说，标准规定：如果提升后的类型是无符号类型，则表达式 ~E 等效于该类型中可表示的最大值减去 E。这保证了如果 n 是正数，则 ~((signed) n) 和 ~((unsigned) n) 具有相同的表示形式。因为在转换负值时：如果新类型是无符号的，则通过反复添加或减去新类型中可以表示的最大值加一，直到该值在新类型的范围内。 - Serge Ballesta

@Serge，没错，MISRA-C指南是关于警告这是实现定义的行为。它并没有“禁止”任何东西（正如其他人在上面的评论中提到的）。在符合MISRA-C开发的过程中，您必须通过偏差记录记录您意识到依赖于C抽象机器未明确定义的行为，并且MISRA工具应该允许此操作。 - Veriloud

Answer 2

根据IAR C/C++ Development Guide for ARM的第169页和211页，如果启用IAR语言扩展（-e命令行选项或IDE中的Project>Options>C/C++ Compiler>Language>Allow IAR extensions），则可以定义您的enum类型。

特别地，您应该定义一个额外的“哨兵”值，以确保编译器选择正确的类型。它更喜欢有符号类型，并使用最小可能的整数类型，因此哨兵应该是相应无符号整数类型可以描述的最大正整数。例如，

typedef enum {
    /* ... */
    enum_u8_sentinel = 255U
} enum_u8;

typedef enum {
    /* ... */
    enum_u16_sentinel = 65535U
} enum_u16;

typedef enum {
    /* ... */
    enum_u32_sentinel = 4294967295UL
} enum_u32;

- Nominal Animal

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虽然这是正确的，但这是一种特定于实现的语言扩展，不可移植，并且本身违反了MISRA-C:2004规则1.1而没有偏差。这相当于MISRA C:2012规则1.2。 - Andrew

我没有MISRA规范的访问权限，所以我会相信你的话。当然，便携式解决方案是使用预处理器宏。 - Nominal Animal