为什么C++将无符号字符值打印为负数？

Question

我希望你能帮我翻译一下C++中的隐式转换规则，这与IT技术有关。当两种基本类型之间只有一个操作符时，"低类型"会提升为"高类型"。例如:

int a = 5;
float b = 0.5;

std::cout << a + b << "\n";

因为'a'被提升为浮点类型，所以应该打印5.5。我也明白无符号类型比有符号类型更高级。

int c = 5;
unsigned int d = 10;

std::cout << c - d << "\n";

由于'c'被提升为无符号整数，而无符号类型在小于零时会循环，因此打印出4294967291这个大数字。

然而，在下面的情况中，我不明白为什么我得到的是-105而不是一个正数。

#include <iostream>

int main(void) {
    unsigned char a = 150;
    std::cout << static_cast<int>(a - static_cast<unsigned char>(255)) << "\n";
    return 0;
}

我猜这段代码的作用是：

a - static_cast<unsigned char>(255)

应该得到一个正数，因此最终的转换（转换为int）不应该影响最终结果，对吗？

- RandomGuy

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你忘记了整数提升（所有比int小的整数类型，包括char，在执行你在帖子开头描述的规则之前都会被提升为int）。 - M.M

这是C++。你应该删除C标签。 - Mark Benningfield

你猜 a - static_cast<unsigned char>(255) 是正数，但从未费心测试它。你应该这样做。 - user743382

@Mark Benningfield 已被移除。 - RandomGuy

Answer 1

你错过了从unsigned char到int的（隐式）转换，该转换会执行-（减法）操作。只要您尝试将任何整数操作应用于小于int的某些整数类型的值，就会发生此整数提升。

- Chris Dodd

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不包括 bool、char16_t、char32_t 或者 wchar_t，将其转换为某个比 int 更小的整型值，是吗？ - Sourav Ghosh

@SouravGhosh：不，没有针对特定类型的例外。当然，在某些平台上，这些类型中的一些可能不会比int更小，因此在这些平台上，没有转换适用。 - Chris Dodd

谢谢！我不知道有这种隐式转换！顺便说一下，“...对于某些小于int的整数类型的值应用任何整数操作。”，这是否也适用于乘法（*）和除法（/）运算符，还是只适用于加法（+）和减法（-）？我尝试了乘法（*），似乎隐式转换没有发生。 - RandomGuy

@SouravGhosh，为了扩展Chris的评论，这些类型的促销活动是由同一部分中的其他规则指定的，你从中复制到你的答案中排除这些类型的规则。 - eerorika

@user2079303 对，这并不限制它们只能是 int 或 unsigned int。无论如何，克里斯在评论中说的是真的。 - Sourav Ghosh

@SouravGhosh 保持严谨：对于除了 bool 以外的其他类型，它们会被提升为精确的 int。 - eerorika

Answer 2

这里有一些显示正在发生什么的答案。我不会重复。我将给你一个简单的工具来帮助你。

以下是一个技巧，可以快速找到表达式的类型：

template <class> struct Name; // purposely no definition given

Name<decltype(your_expression)> n;

当未定义模板“Name”时，这将生成编译器错误，但我们真正感兴趣的是出现在错误消息中的模板参数类型。

例如，如果您想查看在两个unsigned char之间进行算术运算时所获得的类型：

#include <utility>
template <class> struct Name;

auto test()
{
    Name<decltype(std::declval<unsigned char>() - std::declval<unsigned char>())> n;

   // or
   unsigned char a{};
   Name<decltype(a - a)> n2;
}

会让你获得

error: implicit instantiation of undefined template 'Name<int>'

这将向您显示表达式的类型为int

当然，这并不会告诉您涉及的规则，但它是一个快速的起点，可以查看表达式的类型或验证您对表达式类型的假设。

- bolov

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谢谢！这很有帮助！在Visual Studio 2013编译器和GCC（MinGW）中运行得很好。 - RandomGuy

Answer 3

引用自C++14，第5.7节：

加法运算符+和减法运算符-从左到右分组。对于算术或枚举类型的操作数执行通常的算术转换。

对于“通常的算术转换”（特定于此情况），如下所示：

否则，必须对两个操作数进行整数提升。

最后，在“整数提升”章节§4.5中：

整数类型的prvalue，除了bool，char16_t，char32_t或wchar_t之外，如果其整数转换等级（4.13）小于int的等级，则可以将其转换为int类型的prvalue，如果int可以表示源类型的所有值; 否则，源prvalue可以转换为unsigned int类型的prvalue。

因此，无符号字符操作数被提升为int，然后计算结果。

- Sourav Ghosh

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这个规则背后的思想，我觉得很有用，值得记忆，就是比int小的整数类型主要被视为“存储类型”，即在内存中节省空间的一种方式。当它们被读回到寄存器中进行操作时，它们自然会被提升到机器寄存器大小（通常与int相同），并相应地执行操作。 - Matteo Italia

@MatteoItalia 是的，确实。 - Sourav Ghosh

非常感谢您的回答。我尝试使用char16_t重新编写了我的代码，但结果仍然是一个负数，这种类型不应该成为隐式转换的例外吗？ - RandomGuy

@RandomGuy 嗯，不是的。这些类型有更广泛的范围，但它们仍然会得到晋升。 - Sourav Ghosh