为什么C语言不能比较无符号整数和负数值？

Question

考虑以下这段C代码：

#include "stdio.h"

int main(void) {

    int count = 5;
    unsigned int i;

    for (i = count; i > -1; i--) {
        printf("%d\n", i);
    }
    return 0;
}

我的观察/问题：循环从未执行过。但是，如果我将i的数据类型从unsigned int更改为int，则一切都按预期工作。

我一直认为无符号整数是当你尝试从它们中不断减去时会“环绕”的值。因此，当i为零且我减去1时，它将环绕到UINT_MAX。而且由于其值永远不为负，这实际上就是一个无限循环。（当我将比较从i > -1更改为i >= 0时，这正是发生的情况。）

如果i是无符号的，并且我将其与-1进行比较，则我的逻辑存在错误，因为循环从未执行过。可能是编译器以某种方式对其进行了优化，或者运行时的值与我所期望的有所不同。

为什么循环不运行？

- Jaanus

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你尝试过对字面值-1进行显式转换吗？ - 0xC0000022L

你是完全正确的。但请记住，5 > UINT_MAX 是错误的。 - sidyll

请返回翻译文本: https://dev59.com/hXI95IYBdhLWcg3w8iv1 https://dev59.com/WoHba4cB1Zd3GeqPMA1k https://dev59.com/8HA75IYBdhLWcg3wy8Xr%E2%88%921-sizeofint - phuclv

Answer 1

在 i > -1 中，-1 被转换为 unsigned int，导致其值变为 UINT_MAX。因此，i 永远不会大于该值，所以循环体永远不会执行。

您可能会发现，可以说服编译器警告您存在条件上总是为真或总是为假的表达式。但如果您写了 i > -2，则这仍然不能帮助您，因此您可能还会发现您可以启用所有混合符号比较的警告。

请注意，在 C 语言中，算术运算始终使用相同类型的操作数。这包括比较，但不包括移位运算符（我IRC 不确定）。如果操作数的类型不同，如本例中，则至少将其中一个操作数转换为相同类型。计算目标类型的规则在 6.3.1.1/2 和 6.3.1.8/1 中给出。

- Steve Jessop

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新手问题：您在章节编号中所指的规格是什么？ - Jaanus

@Jaanus：C99（确切地说是n1256）。在C89中，它是3.2.1.1和3.2.1.5。 - Steve Jessop

Answer 2

当您在“类型对称”的二进制操作（例如您的示例中的+，*或>）中混合相同宽度的有符号和无符号操作数时，无符号类型“获胜”，并且该操作在无符号域中计算。也就是说，有符号操作数被转换为无符号类型。

在您的示例中，整数常量具有signed int类型，而i具有unsigned int类型。操作数具有相同的宽度，因此在您的示例中，i > -1被解释为i > (unsigned) -1，这等价于i > UINT_MAX。这就是为什么您的循环永远不会执行的原因。

- AnT stands with Russia

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通常情况下，无符号类型并不总是占优势。例如，尝试使用“unsigned char”和“int”。 - vitaut

@vitaut：嗯，是的，你说得对，但实际上这不是一个很好的例子。当你在表达式中使用unsigned char时，通常的算术转换首先应用，unsigned char很早就变成了signed int。它发生在我在答案中谈到的“二进制”规则有机会发挥作用之前。所以，比喻地说，你根本不能在表达式中使用unsigned char - 它不会粘着。在其他任何事情有机会发生之前，它将立即转换为int。 - AnT stands with Russia

为了更好地举例说明，假设（通常是这样的）long long 可以表示 unsigned int 的所有值，那么 unsigned int 就不如 signed long long。因此，在大多数实现中，(unsigned int)5 > -1LL 为真，但如果 int 和 long long 具有相同的宽度，则为假。这是不要在 unsigned int 和 long 之间进行混合比较的“真正好的”理由：在 LP64 机器上会得到有符号比较，在 LLP64 和（可能）32 位上会得到无符号比较。 - Steve Jessop

@Steve Jessop：说得好。我更新了我的答案，使其涉及相同宽度的类型。 - AnT stands with Russia

@SteveJessop：我想知道为什么C标准的实现者没有规定，在情况下，'正常'规则会导致负数比正数大时，结果应该是实现定义的呢？任何依赖于C行为的代码都不应该被认为是过时的吗？ - supercat

Answer 3

无论您处理无符号还是有符号数字，-1始终会编译为0xffffffff。处理器具有有符号和无符号比较标志。将该数字与5进行比较时，有符号标志将将其视为-1并表示它小于5，但无符号标志将将其视为大数并表示它大于5。由于该数字也与UINT_MAX相同，因此对于所有无符号数字，您的比较都将为false。

- ughoavgfhw

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“总是编译为0xffffffff”（4,294,967,295）- 这并不正确，标准并没有保证UINT_MAX的值。事实上，它只声明：“它们的实现定义值应等于或大于65535（2^16-1）的数量级（绝对值）”。 - Wiz

这是唯一一个正确指出-1没有改变的答案。在无符号比较中使用时，它只被视为无符号值。 - stark

Answer 4

在无符号比较中，-1会变成UINT_MAX。由于没有比这更大的数字，循环条件永远不为真，因此循环永远不会进入。

如果你将它改为i >= 0，那应该可以按预期工作。实际上，在这种情况下，你可能根本不应该使用无符号类型 :-)

- Platinum Azure

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如果你把它改成 i >= 0，那么它总是为真，因此毫无意义。 - R.. GitHub STOP HELPING ICE