C中的文字和变量（有符号与无符号短整数）有什么区别？

Question

我在Computer Systems: A Programmer's Perspective, 2/E一书中看到了以下代码。这很好用并创建了所需的输出。输出可以通过有符号和无符号表示的差异来解释。

#include<stdio.h>
int main() {
    if (-1 < 0u) {
        printf("-1 < 0u\n");
    }
    else {
        printf("-1 >= 0u\n");
    }
    return 0;
}

上面的代码产生-1 >= 0u，但是下面的代码应该和上面的一样，没有！换句话说，

#include <stdio.h>

int main() {

    unsigned short u = 0u;
    short x = -1;
    if (x < u)
        printf("-1 < 0u\n");
    else
        printf("-1 >= 0u\n");
    return 0;
}

产生-1 < 0u。为什么会这样？我无法解释。

请注意，我见过类似的问题，例如 this，但它们没有帮助。

PS。正如@Abhineet 所说，可以通过将short 更改为int 来解决困境。然而，如何解释这种现象呢？换句话说，4 个字节中的-1 是0xff ff ff ff，2 个字节中是0xff ff。给定它们作为 2s-complement 被解释为unsigned，它们具有4294967295 和65535 的对应值。它们都不少于0，我认为在这两种情况下，输出都需要为-1 >= 0u，即x >= u。

在小端英特尔系统上的示例输出：

简称：

-1 < 0u
u =
 00 00
x =
 ff ff

对于整数：

-1 >= 0u
u =
 00 00 00 00
x =
 ff ff ff ff

Answer 1

上面的代码产生 -1 >= 0u

所有整数文字（数字常量）都有一个类型，因此也有一个符号。默认情况下，它们的类型是 int，它是已签名的。当您附加u 后缀时，您会将文字转换为unsigned int。

对于任何有一个有符号操作数和一个无符号操作数的 C 表达式，平衡规则（正式名称：the usual arithmetic conversions）会隐式地将有符号类型转换为无符号类型。

从有符号到无符号的转换是明确定义的（6.3.1.3）：

否则，如果新类型是无符号的，则通过重复添加或转换值 比新类型可以表示的最大值减一 直到值在新类型的范围内。

例如，对于标准二进制补码系统上的 32 位整数，无符号整数的最大值为 2^32 - 1（4294967295，limits.h 中的 UINT_MAX）。比最大值大一是2^32。和-1 + 2^32 = 4294967295，所以文字-1 被转换为一个值为4294967295 的无符号整数。大于 0。

---

但是，当您将类型切换为短类型时，您最终会得到一个小整数类型。这是两个示例之间的区别。每当一个小整数类型是表达式的一部分时，整数提升规则会隐式地将其转换为更大的 int (6.3.1.1)：

如果一个 int 可以表示原始类型的所有值（受限制 通过宽度，对于一个位域），该值被转换为一个 int； 否则，它将转换为无符号整数。这些被称为 整数促销。所有其他类型都不变整数 促销活动。

如果short 在给定平台上小于int（32 位和64 位系统上的情况），任何short 或unsigned short 将因此总是被转换为int，因为它们可以放在一个里面。

因此，对于表达式 if (x < u)，您实际上最终会得到 if((int)x < (int)u)，它的行为与预期一样（-1 小于 0）。

Answer 2

您遇到了 C 的整数提升规则。

类型小于int 的运算符会自动将其操作数提升为int 或unsigned int。有关更详细的说明，请参阅 cmets。如果之后类型仍然不匹配（例如 unsigned int 与 int），则二进制（双操作数）运算符还有一个步骤。我不会尝试更详细地总结规则。 请参阅 Lundin 的回答。

This blog post 更详细地介绍了这一点，并提供了一个与您类似的示例：signed 和 unsigned char。它引用了 C99 规范：

如果一个 int 可以表示原始类型的所有值，则该值为 转换为 int；否则，它将转换为无符号整数。 这些被称为整数促销。所有其他类型不变 通过整数促销。

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您可以在 Godbolt with a function that returns one or zero 之类的工具上更轻松地使用它。只需查看编译器输出，看看最终会发生什么。

#define mytype short

int main() {
    unsigned mytype u = 0u;
    mytype x = -1;
    return (x < u);
}

Answer 3

除了您似乎假设的以外，这不是类型的特定宽度的属性，这里是 2 字节与 4 字节，而是要应用的规则的问题。整数提升规则规定 short 和 unsigned short 在对应的值范围适合 int 的所有平台上转换为 int。由于这里是这种情况，因此两个 值 都被保留并获得类型 int。 -1 在 int 中完全可以表示，0 也是如此。所以-1中的测试结果小于0。

在针对0u 测试-1 的情况下，公共转换选择unsigned 类型作为两者都转换为的公共类型。 -1转换成unsigned就是UINT_MAX的值，大于0u。

这是一个很好的例子，为什么你不应该使用“窄”类型来进行算术或比较。仅当您有服务器大小限制时才使用它们。简单变量很少会出现这种情况，但主要是对于大型数组，您可以从存储在窄类型中真正受益。

Answer 4

0u 不是unsigned short，而是unsigned int。

Edit:: 对行为的解释， How comparison is performed ?

正如 Jens Gustedt 所回答的，

这被标准称为“通常的算术转换”，并且 每当两个不同的整数类型作为操作数出现时都适用 同一个运算符。

本质上是什么

如果类型有不同的宽度（更准确地说是标准 调用转换排名）然后如果两者都转换为更广泛的类型 类型具有相同的宽度，除了非常奇怪的架构之外， 其中无符号获胜 有符号到无符号值的转换 -1 任何类型总是产生最高的可表示值 无符号类型。

他写的更多解释性博客可以找到here。