为什么一个以字符作为索引的循环会无限循环？

Question

这个循环将无限继续：

char a = 100;
for(a=100; a>=0;--a)
    System.out.println(a);

这是因为在算术运算中，a会被提升为int类型的值，并且从16位的char值扩展为32位，因此它始终保持正数。

- Phoenix

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@oldrinb - 这只回答了“它会不会”的问题。更有趣的问题是“为什么”。 - Stephen C

@StephenC 我的评论回答了标题中的问题。我在下面解释了“为什么”。 - obataku

@Phoenix 我已经更新了我的回复，事实上你说的原因是正确的... :-) - obataku

Answer 1

它确实会无限循环，而你所述的原因是接近的。它之所以发生是因为a不能表示任何不满足a >= 0的数字--char是无符号的。在Java中，算术下溢是被定义明确的，但没有指示。请参见规范的相关部分如下。

• §4.2.2

  整数运算符不以任何方式指示溢出或下溢。

  这意味着除了比较值之外，没有任何溢出/下溢的指示...例如，如果 a <= --a，则表示发生了下溢。

• §15.15.2

  在减法之前，对值1和变量的值执行二进制数字提升（§5.6.2）。如果必要，差异通过缩小原始转换（§5.1.3）和/或转化为类型变量进行封箱（§5.1.7），然后存储。前缀递减表达式的值是变量的值，在新值存储之后。

  因此，我们可以看到这里有两个主要步骤：二进制数字提升，然后是缩小的原始转换。

• §5.6.2

  按照以下规则转换一种或两种操作数：应用扩展原始转换（§5.1.2）：

  • 如果任一操作数为double类型，则将另一个操作数转换为double。
  • 否则，如果任一操作数为float类型，则将另一个操作数转换为float。
  • 否则，如果任一操作数为long类型，则将另一个操作数转换为long。
  • 否则，两个操作数都转换为int类型。

  我们可以看到递减表达式使用a作为int处理，从而执行扩展转换。这使它能够表示值-1。

• §5.1.3

  缩小的原始转换可能会丢失有关数字值总体大小的信息，并且可能会失去精度和范围。

  ...

  将带符号整数缩小为整数类型T只丢弃了除n个最低位之外的所有位，其中n是用于表示类型T的位数。除可能丢失数字值大小的信息外，这还可能导致结果值的符号与输入值的符号不同。

  仅保留n个最低位意味着仅保留int表达式a - 1的最低16位。由于此处的-1为0b11111111 11111111 11111111 11111111，因此仅保存更低的0b11111111 11111111。由于char是无符号的，所有这些位都对结果有贡献

  注意到这里的问题了吗？本质上，这意味着Java整数算术是模运算；在这种情况下，模数是2^16或65536，因为char是一个16位数据类型。-1 (mod 65536) ≡ 65535，所以递减将会回绕。

- obataku

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这真的是算术下溢吗？请参见http://en.wikipedia.org/wiki/Arithmetic_underflow。 - jsj

你还是错了。在Java中确实会发生整数下溢，只是没有像你引用的JLS文本所述那样指示它。也就是说，不会抛出异常，也没有直接测试下溢是否发生的方法。 - Stephen C

Answer 2

不对。 char 值是无符号的 - 当它们小于 0 时，它们会重新回到 65535。

将 char 替换为 byte - 然后它就可以工作了。

- Nick ODell

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Stephen，你是正确的。我假设它像C语言中的char一样。 - Nick ODell

@NickODell，那么你应该知道plain char的符号是实现定义的...它只保证能够容纳整个ASCII字符集（0-127），而C99确保它至少可以存储8位。 - obataku

在C语言中，我总是明确变量是有符号还是无符号的，只是为了确保它在所有编译器上都能正常工作。即使是int等类型，这样做也是必要的吗，还是只是多虑？ - Nick ODell

@NickODell 不是的--int 对应 signed int，long 对应 signed long int，short 对应 signed short int。之所以会有区别，是因为从技术上讲，plain 的char、signed char 和unsigned char 都是不同的数据类型。 - obataku

Answer 3

正如其他人所说，Java中的char类型是无符号的，因此a >= 0将始终为真。当a达到0并再次递减时，它变成了65535。如果你只是想要刻意违反常规，你可以这样编写你的循环，在101次迭代后终止：

char a = 100;
for(a=100; a<=100;--a)
    System.out.println(a);

代码审查者随后可以玩得很开心，把你因编写如此可怕的东西而批得体无完肤。 :)

- Ted Hopp