在布尔值上使用按位取反运算符（~）是否会引发未定义行为？

Question

如果一个C++程序将按位非（~）操作符应用于布尔值，这是否会调用未定义的行为？

例如，以下程序是否定义良好？

bool f = false;
bool f2 = ~f;    // is f2 guaranteed to be true, or is this UB?
bool t = true;
bool t2 = ~t;    // is t2 guaranteed to be false, or is this UB?

（是的，我知道存在一个更适合这种情况的！运算符；但是为了本问题的目的，我们将忽略它的存在;)）

- Jeremy Friesner

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我猜测~在执行任何操作之前会将参数提升为int，因此~0会转换为true。如果没有查看代码，无法百分之百确定。 - chris

@chris，你是对的。 - Carl Norum

“做 bool b = 13; [或类似的事情] 是未定义行为吗？” - Mats Petersson

@MatsPetersson：不，int 值 13 会隐式转换为 bool，得到 true。 - Keith Thompson

Answer 1

5.3.1/10 操作数~必须具有整数或未作用域枚举类型;结果是其操作数的补数。执行整形提升。 [我强调]

4.5/6 类型为bool的prvalue可转换为类型为int的prvalue，其中false变为零，true变为一。

4.5/7 这些转换称为整形提升。

因此，~false是一个int，其位模式由全部为1的位组成 - 表示0的位模式的补码，即全部为零（按照3.9.1/7的要求）。同样，~true是一个int，它是1的位表示的补码 - 即所有位都是1，最低有效位为零。这两个值在布尔上下文中将评估为true。

- Igor Tandetnik

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@MattMcNabb 这个标准在哪里说了呢？我实际上正在寻找那个措辞，但很遗憾没有找到。在 C99 6.2.6.2 中有类似的措辞 - 或许可以通过引用将这种措辞纳入 C++ 标准中，但这听起来是一个相当薄弱的论点。我是否漏掉了一些显而易见的东西？ - Igor Tandetnik

@MattMcNabb 啊，对了。我忘记了“纯二进制计数系统”这个专业术语。让我更新答案。 - Igor Tandetnik

我猜有一点争议的空间，负零可以作为“0”的另一种表示形式，在补码中。 - M.M

@MattMcNabb 至少 C99 对如何产生负零有限制（基本上只能通过位操作）。仅写 0 或 (int)false 不应该这样做。但是，是的，C++ 标准没有类似的措辞。 - Igor Tandetnik

Answer 2

算术运算符对其操作数执行整数提升。具体来说，[expr.unary.op] / 9也适用于 ~ 运算符。

因此，~t 等同于 ~1。这会产生一个有效的非零整数。

整数转布尔类型的转换由 [conv.bool] 定义：

将零值、空指针值或空成员指针值转换为 false；将任何其他值转换为 true。

因此，bool t2 = ~t; 会产生 t2 == true。没有未定义行为。

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~f 等同于 ~0。在二进制补码中，~0 的值为 -1，因此我们会得到 f2 == true。 _{在使用一的补码的 C++ 系统中，如果有的话，那么 ~0 的效果是不清楚的。}

- M.M

Answer 3

bool t = true;
bool t2 = ~t;    // is t2 guaranteed to be false, or is this UB?

我想这并不是保证的，因为

  bool b = true;
  bool b1 = ~b;
  cout << b1;

输出一个"true"

我想这与布尔表示有关...如果它是一个字节，那么00000001将取反为11111110，这不是零。升级也可能起作用，但是它是同一首曲子。

关键在于它是"按位"而不是"逻辑"。因此，除非布尔表示是单个位，否则不应期望两者匹配。

易于完全定义行为。

- dtech