如何在 C 中评估移位运算符？

Question

我最近在使用 shift >> << 进行操作时注意到一个（奇怪的）行为！

为了解释它，让我编写这个可执行的小代码，它执行两个应该是相同的操作（在我的理解中），但我对不同的结果感到惊讶！

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned char a=0x05, b=0x05;

    // first operation
    a = ((a<<7)>>7);

    // second operation
    b <<= 7;
    b >>= 7;

    printf("a=%X b=%X\n", a, b);
    return 0;
} 

运行时，a = 5 和 b = 1。我希望它们都等于1！有人能解释一下为什么我会得到这样的结果吗？

P.S：在我的环境中，unsigned char 的大小是 1 个字节

Answer 1

在第一个例子中：

• a 转换为 int，左移，然后右移，然后再转换回 usigned char。

这显然会导致a=5。

在第二个例子中：

• b 转换为int，左移，然后转换回unsigned char。
• b 转换为int，右移，然后转换回unsigned char。

不同之处在于第二个示例在转换为unsigned char的过程中丢失了信息

Answer 2

移位操作会对其操作数进行整数提升，并且在您的代码中生成的 int 被转换回 char，如下所示：

// first operation
a = ((a<<7)>>7); // a = (char)((a<<7)>>7);

// second operation
b <<= 7; // b = (char) (b << 7);
b >>= 7; // b = (char) (b >> 7);

引自 N1570 草案（后来成为 C11 的标准）：

6.5.7 移位运算符：

1. 每个操作数都应为整数类型。
2. 在每个操作数上执行整数提升。结果的类型是提升的左操作数的类型。如果右操作数的值为负数或大于或等于提升的左操作数的宽度，则行为未定义。

而且假设在C99和C90中也有类似的说法。

Answer 3

字里行间的事情的详细解释：

案例一：

• 在表达式a = ((a<<7)>>7); 中，首先计算a<<7。
• C 标准规定，移位运算符的每个操作数都被隐式提升为整数，这意味着如果它们的类型为 bool、char、short 等（统称为“小整数类型”），它们将被提升为 int .
• 这是 C 中几乎每个运算符的标准做法。移位运算符与其他运算符的不同之处在于它们不使用另一种常见的隐式提升，称为“平衡”。相反，移位的结果总是具有提升的左操作数的类型。在这种情况下int。
• 所以a 被提升为类型int，仍然包含值0x05。 7 文字已经属于 int 类型，因此不会被提升。
• 当您将此int 左移 7 位时，您将得到 0x0280。运算结果的类型为int。
• 请注意，int 是有符号类型，因此如果您继续将数据进一步移动到符号位，您将调用未定义的行为。同样，如果左操作数或右操作数为负值，您也会调用未定义的行为。
• 您现在有了表达式 a = 0x280 >> 7;。因为两个操作数都已经是 int，所以下一个班次操作不会发生任何提升。
• 结果为 5，类型为 int。然后将此 int 转换为 unsigned char，这很好，因为结果足够小以适应。

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案例b：

• b <<= 7; 等价于 b = b << 7;。
• 和以前一样，b 被提升为int。结果将再次为 0x0280。
• 然后您尝试将此结果存储在无符号字符中。它不适合，因此将被截断为仅包含最低有效字节0x80。
• 在下一行，b 再次被提升为一个 int，包含 0x80。
• 然后将 0x80 移动 7，得到结果 1。这是 int 类型，但可以放入 unsigned char，因此它适合 b。

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好建议：

• 永远不要对有符号整数类型使用按位运算符。这在 99% 的情况下没有任何意义，但可能会导致各种错误和定义不明确的行为。
• 使用按位运算符时，请使用 stdint.h 中的类型，而不是 C 中的原始默认类型。
• 使用按位运算符时，对预期类型使用显式强制转换，以防止出现错误和意外的类型更改，同时也让您清楚了解隐式类型提升的工作原理，并且您不只是得到代码意外运行。

编写程序的更好、更安全的方法是：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>    

int main(void) {
    uint8_t a=0x05;
    uint8_t b=0x05;
    uint32_t tmp;

    // first operation
    tmp = (uint32_t)a << 7;
    tmp = tmp >> 7;
    a = (uint8_t)tmp;

    // second operation
    tmp = (uint32_t)b << 7;
    tmp = tmp >> 7;
    b = (uint8_t)tmp;

    printf("a=%X b=%X\n", a, b);
    return 0;
}