为什么 printf 和 cout 会为此代码提供不同的输出？答案

【问题标题】：Why does printf and cout gives different output for this code?为什么 printf 和 cout 会为此代码提供不同的输出？
【发布时间】：2013-10-25 14:43:20
【问题描述】：

int main(){
    ll a=pow(2,32);
    cout <<a<<endl;
    cout << (-1<<1)<<endl;
    printf("%x",-1<<1);
}

对于上面的代码，我得到以下输出：

4294967296
-2
fffffffe

十进制的4294967296 等于十六进制的fffffffe，基本上是2^32。为什么 printf 和 cout 的行为不同？这种转变究竟是如何运作的？

【问题讨论】：

改用printf("%d", ...)。
4294967296 肯定不等于 fffffffe。前者是2^32，后者是2^32-2。
对于左移负数是否未定义存在不同的解释。 John 创建了一个question 看看我们是否可以解决它。

标签： c++ bit-shift

【解决方案1】：

printf 格式标志%x 表示以十六进制打印整数值。

还有一个流操纵器可以完成此操作 (std::hex)，但您没有使用它。当您将整数值输出到没有操纵器的流时，它以 10 为底输出。

See here 了解有关 printf 格式标志的更多信息，and here 了解有关流操纵器的信息。

移位运算符<< 的工作方式如 C++03 标准 (14882:2003) 中所述：

5.8 移位运算符

1/ 移位运算符 > 从左到右分组。移位表达式：加法表达式移位表达式 >加法表达式

操作数应为整数或枚举类型且为整数进行促销。结果的类型是提升左操作数。如果正确的操作数，则行为未定义为负数，或大于或等于提升左操作数。

2/ E1

[注意：常量 ULONG_MAX 和 UINT_MAX 在标题中定义）。 ]

在您的情况下，二进制中的值-1 的每一位都是1s。对于 32 位值，则：

11111111 11111111 11111111 11111111

如果你使用<< 将这个左移一位，你会得到：

11111111 11111111 11111111 11111110

以 10 为底的 -2。由于运算-1<<1 对 LHS 使用负数，因此整个表达式是有符号（非无符号）类型。

【讨论】：

但是为什么在 cout 的情况下打印“-2”？它不应该打印“4294967296”吗？我在问为什么这两个值不同。我了解十六进制和十进制表示之间的区别。
@JohnDibling 您只需要 32 位即可显示 -1 << 1，因为它们都是 ints 而不是 long longs。
@ZacHowland：我知道，但是 OP 的代码使用 ll 作为 a 的类型声明，我猜这意味着 uint64_t。
@JohnDibling 对于a，是的。之后他所做的一切都是处理 32 位 ints（这是他的整体问题的很大一部分）。
@ZacHowland：我想你是对的。然后我制作了 32 位值。

【解决方案2】：

首先，

ffffffffe 十六进制，基本上是 2^32

错了。 FFFFFFFE = 4294967294，即 2^32 - 2（对于无符号整数）或 -2（对于 2 的补码中的 32 位有符号整数）。

其次，printf("%x", ...) 将打印一个无符号的十六进制整数（即unsigned int），在大多数现代系统上它是 32 位的。 long long a = 2 << 32 需要一个 64 位整数才能正确存储它（或者更准确地说，至少是一个 33 位整数），所以当您使用 cout << a 时，您调用的是具有正确类型的 ostream& operator<<(ostream&, long long)。也就是说，由于 printf 说明符使用的类型与 C++ operator<< 重载使用的强类型相比，您遇到了溢出问题。

【讨论】：

【解决方案3】：

这段代码调用undefined behavior，因为你试图左移一个负数，the draft C++11 Standard部分5.8移位运算符说（强调我的):

E1的值E1 有一个有符号类型和非负值，并且E1×2E2可以在结果中表示类型，那么这就是结果值；否则，行为是未定义。

这对于draft C99 standard 部分6.5.7 也是相同的位移运算符

将 invalid 转换说明符指定为 printf 也是 未定义的行为，您指定的是 %x，它期望 unsigned int 但结果是签名。 7.19.6.1 部分中的C99 草案 fprintf 函数 段落9 中说：

如果转换规范无效，则行为未定义。248) 如果任何参数不是相应转换规范的正确类型，则行为是未定义。

【讨论】：

E1 这里没有非负值。另外，这不符合我的标准（C++03）
@JohnDibling 这是n3485，据我所知，语言已从03 更改。正确，所以引用说E1 是非负数，然后它被定义为否则它是未定义的，适合这种情况。
编辑了您的帖子以包含已发布标准中的文本，而不是草稿。有一些区别。
那么，您是否将其解释为将负数左移会导致未定义行为？
您是否有意（有效）回滚我的编辑并返回标准草案？

【解决方案4】：

%x 格式化输出以显示十六进制值，因此您应该将 std::hex 传递给 cout 以执行相同的操作：

std::cout << std:::hex << (-1<<1) << endl;
             ^^^^^^^^^

【讨论】：

【解决方案5】：

这将产生与您需要告诉它以十六进制打印相同的正确答案

cout << hex<<(-1<<1)<<endl;
printf("%x",-1<<1);

【讨论】：

【解决方案6】：

%x 是十六进制，因为 cout 只是直接输出数字（int） -1 是 0xFFFFFFFF 向左移动你必须添加一个 0 即最后一个 F（二进制是 1111 变为 1110 即 E 我认为其他人更清楚地回答了您的观点....

【讨论】：

【解决方案7】：

为了便于阅读，我们使用有符号的 8 位整数：

-1 bitwise is 11111111

现在左移 1：

-1 << 1

你得到：

11111110 which is -2

但是，使用转换说明符 %x 告诉 printf() 将 11111111 作为 un 签名，因此它会打印出 fe。

【讨论】：

【解决方案8】：

第一种情况是有效的：pow(2,32) 返回精确值 2³² 作为 double，当您将其转换为 long long 时它仍然是精确的（我假设这就是神秘ll 类型是）。用cout 打印这个是完全有效的。

在(-1<<1) 的情况下，左移一个负数会产生未定义的行为。即使编译器确实将其定义为 -2（大多数情况下），传递一个负数以与 printf 的 %x 说明符（需要无符号类型）一起使用也是未定义的行为。

【讨论】：