无符号整数答案

【问题标题】：Unsigned integers无符号整数
【发布时间】：2022-01-04 08:20:45
【问题描述】：

谁能帮我理解有符号/无符号整数和有符号/无符号字符之间的区别？在这种情况下，如果它是无符号的，值不会永远不会达到负数并继续 0 的无限循环吗？

 int main()
{
   unsigned int n=3;
   while (n>=0)
   {
       printf ("%d",n);
       n=n-1;
   }

    return 0;
}

【问题讨论】：

我建议您在 SO stackoverflow.com/a/5789914 中查看此答案
另外，建议您在 print 语句之后放置一个 sleep()，以便您可以按照顺序进行操作。
这是一个棘手的问题。是的，它会无限期地运行，但不是因为 n 保持为 0。如果你真的运行代码，你会发现 print() 会打印“3210-1-2-3-4-5...”，因为你给了它格式将n解释为int。事实上，您可以使用 printf ("%u",n); 之类的东西来打印价值。您将有一次 0，但在下一次迭代中会发生无符号下溢。如果int 是4 个字节长，那么0-1 = 0xFFFFFFFF。那是十进制格式的 4294967295。
@PavanDittakavi 你到底为什么要在这个问题中添加 C++17 标签？
%d 是无符号整数的错误printf 格式化字符串，这是未定义的行为。虽然在实践中你会看到你的 unsigned int 被解释为一个有符号的 int。

标签： c loops unsigned

【解决方案1】：

值不会永远达到负数

正确，不可能是负数。

然后在 0 的无限循环中继续

不，它会从零环绕到 unsigned int 的最大值，这是明确定义的行为。如果您使用正确的转换说明符 %u 而不是不正确的 %d，您会注意到以下输出：

【讨论】：

是的，但这是我的教授给我的一个例子，用 %d 而不是 %u。我的问题是，如果它永远不能存储负值，为什么输出会无限打印负数？
@Nati 用%d 打印无符号数字严格来说是未定义的行为。您将观察到的可能是一些尝试将无符号数转换为有符号等价物（这不是保证行为，但实际上可能会发生这种情况）。但这是printf内部发生的事情，它不会影响变量的实际值

【解决方案2】：

有符号和无符号这两个术语是指 CPU 如何处理位序列。

这里有两点需要了解：

CPU 如何将有限位序列添加到单个有限结果中
CPU 如何区分有符号和无符号操作数

让我们从 (1) 开始。

我们以 4 位半字节为例。
如果我们要求 CPU 添加0001 和0001，结果应该是2，或者0010。但是如果我们要求它加上1111和0001，结果应该是16，或者10000。但它只有 4 位来包含结果。惯例是环绕，或循环，回到0，有效地忽略Most Significant Bit。另见integer overflow.。

为什么这是相关的？因为它产生了一个有趣的结果。也就是说，根据上面的定义，如果我们让x = 1111，那么我们得到x + 1 = 0。好吧，x 或 1111 现在看起来和行为都非常像 -1。这就是有符号数和运算的诞生。而如果1111可以被认为是-1，那么1111 - 1 = 1110应该是-2，以此类推。

现在让我们看看（2）。

当 C 编译器看到您定义了 unsigned int 时，它将使用特殊的 CPU 指令来处理它认为相关的无符号数。例如，这与jump 指令相关，CPU 需要知道您的意思是它向前跳跃，还是稍微向后。为此，它需要知道您的操作数是否以有符号或无符号方式解释。

另一方面，将两个数字相加的操作从根本上忽略了后续解释。唯一的一点是CPU会在加法操作后打开一个特殊的标志，告诉你是否发生了回绕，供你自己审计。

但重要的是要理解位的顺序不会改变；只有它的解释。

为了将所有这些与您的示例联系起来，从未签名的 0 中减去 1 将简单地回绕回 1111，在您的情况下为 2^32。

最后，有符号/无符号还有其他用途。例如，由于它被定义为不同的类型，这允许编写定义合约的函数，其中只有无符号整数，比方说，可以传递给它。此外，当您想要显示或打印数字时，它也很重要。

【讨论】：

C 语言为无符号整数定义了 wrap-around，而为有符号整数定义了 overflow。这与 CPU 关系不大，只是语言的定义方式。
@Lundin 总的来说，我会同意并关注语言本身的定义，因为不同的语言确实可以并且确实可以任意定义数字运算。在这种情况下，我认为这种方法更好，因为 1）C 从一开始就非常面向机器，并且 2）OP 在这个级别上似乎不理解这些概念，所以有一个空白需要填补。

【解决方案3】：

有符号数表示是正整数和负整数的分类，而无符号分类是正整数و的分类，您编写的代码将永远运行，因为 n 是无符号数并且始终表示正数。

【讨论】：

【解决方案4】：

两件重要的事情：

在一个层面上，常规 signed 与 unsigned 值之间的差异只是我们解释位的方式。如果我们将自己限制为 3 位，我们有：

bits	signed	unsigned
000	0	0
001	1	1
010	2	2
011	3	3
100	-4	4
101	-3	5
110	-2	6
111	-1	7

位模式不会改变，只是解释问题是我们让它们表示从 0 到 2^N-1 的非负整数，还是从 -2^{N/ 的有符号整数2} 到 2^N/2-1.

另一件重要的事情是在一个类型上定义了哪些操作。对于无符号类型，加法和减法被定义为从 0 到 2^N-1 “环绕”。但是对于有符号类型，上溢和下溢是未定义的。（在某些机器上它们会环绕，但不是全部。）

最后，还有正确匹配printf 格式的问题。对于%d，您应该给它一个有符号 整数。但是你给了它unsigned。严格来说，这也会导致未定义的行为，但在这种情况下（并不太令人惊讶），发生的事情是它采用相同的位模式并将其打印出来，就好像它是有符号的，而不是无符号的。

【讨论】：

【解决方案5】：

在这种情况下，如果它是无符号的，值不会永远不会达到负数...？

你是对的。但是在声明 printf ("%d",n); 你“欺骗” printf() 函数 - 使用 type conversion specifier d - 变量 n 中的数字是签名。

改用类型转换说明符u：printf ("%u",n);

...永远不会达到负数并在 0 的无限循环中继续？

没有。 “永远不会达到负数”与“停在0并拒绝进一步递减”不同。

其他人已经解释过了。这是我的解释，以类比的形式：

想象自己是一个永无止境的非负整数序列：

..., 0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3, ...  // the biggest is 3 only for simplicity

——或模拟时钟上的数字：

你可以不断地增加/减少一个数字，循环往复。

【讨论】：