为什么补码通过 printf 表现不同？

Question

我正在阅读有关位运算符的一章，我遇到了 1 的补码运算符程序并决定在 Visual C++ 上运行它。

int main ()
{
   unsigned char c = 4, d;
   d = ~c;
   printf("%d\n", d);
}

它给出了有效的输出：251

然后我决定不使用d作为变量来保存~c的值，而是直接打印~c的值。

int main ()
{
   unsigned char c=4;
   printf("%d\n", ~c);
}

它给出了输出-5。

为什么没用？

Answer 1

在此声明中：

printf("%d",~c);

c 被转换为int¹ 类型 before ~（按位补码）运算符被应用。这是因为 整数提升，它被调用到 ~ 的操作数。在这种情况下，unsigned char 类型的对象被提升为（有符号）int，然后（在 ~ 运算符评估之后）由printf 函数使用，并匹配%d 格式说明符。

请注意，默认参数提升（因为printf 是一个可变参数函数）在这里没有任何作用，因为对象已经是int 类型。

另一方面，在这段代码中：

unsigned char c = 4, d;
d = ~c;
printf("%d", d);

发生以下步骤：

• c 是 integer Promotions 的主题，因为 ~ （以同样的方式，如上所述）
• ~c 右值被评估为（有符号）int 值（例如-5）
• d=~c 进行从 int 到 unsigned char 的隐式转换，因为 d 具有这种类型。您可能认为它与d = (unsigned char) ~c 相同。请注意，d 不能为负数（这是所有无符号类型的一般规则）。
• printf("%d", d); 调用默认参数提升，因此d 被转换为int 并保留（非负）值（即int 类型可以表示unsigned char 类型的所有值） .

---

^{1) 假设int 可以表示unsigned char 的所有值（请参阅下面的TC 的comment），但是非常可能以这种方式发生.更具体地说，我们假设INT_MAX >= UCHAR_MAX 成立。通常sizeof(int) > sizeof(unsigned char) 持有并且字节由八位组成。否则，c 将转换为 unsigned int（如 C11 子条款 §6.3.1.1/p2），格式说明符也应相应更改为 %u 以避免获得 UB（C11 §7.21. 6.1/p9)。}

Answer 2

将~ 运算符应用于c 时，它会提升为int，结果也是int。

然后

• 在第一个示例中，结果被转换为unsigned char，然后提升为signed int 并打印出来。
• 在第二个示例中，结果打印为signed int。

Answer 3

整数提升，来自标准：

如果带符号整数类型的操作数的类型可以表示所有 无符号整数类型的操作数类型的值， 无符号整数类型的操作数应转换为类型 带符号整数类型的操作数。

Answer 4

char 在第二个 sn-p 中的操作 ~ 之前在 printf 语句中提升为 int。所以c，就是

0000 0100 (2's complement)  

二进制提升为（假设是32位机器）

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100 // Say it is x  

其按位补码等于该值的二进制补码减一 (~x = −x − 1)

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011  

这是-5 2 的补码形式的十进制。

注意charc到int的默认提升也是在

d = ~c;

在补码运算之前，但结果被转换回unsigned char，因为d 的类型为unsigned char。

C11：6.5.16.1 简单赋值（p2）：

在简单赋值（=）中，右操作数的值被转换为赋值表达式的类型，并替换存储在左操作数指定的对象中的值。

和

6.5.16 (p3)：

赋值表达式的类型是左操作数的类型 左值转换后。

Answer 5

它给出了 op -5。为什么它不起作用？

代替：

printf("%d",~c);

使用：

printf("%d", (unsigned char) ~c);

获得与第一个示例相同的结果。

~ 操作数经过整数提升，默认参数提升应用于可变参数函数的参数。

Answer 6

要了解代码的行为，您需要了解名为 'Integer Promotions' 的概念（在您的代码中隐式发生在对 unsigned char 操作数进行位非操作之前）如 N1570 委员会草案中所述：

§ 6.5.3.3 Unary arithmetic operators

4. ~ 运算符的结果是它的按位补码 （提升）操作数（即，结果中的每一位都被设置当且仅 如果未设置转换后的操作数中的相应位）。 该 对操作数执行整数提升，结果有 提升的类型。如果提升的类型是“‘无符号类型’，则 表达式~E 等价于可表示的最大值 输入减号E"。

因为unsigned char 类型比int 类型更窄（因为它需要更少的字节）， - 由抽象机（编译器）执行的隐式类型提升和变量c 的值在当时被提升为int编译（在应用补码操作~ 之前）。它是正确执行程序所必需的，因为~ 需要一个整数操作数。

§ 6.5 Expressions

4. 一些运算符（一元运算符~，和二元运算符<<、>>、&、^和|， 统称为按位运算符）必须有操作数 整数类型。这些运算符产生的值取决于 整数，并且有符号类型的实现定义和未定义方面。

编译器足够聪明，可以分析表达式、检查表达式的语义、执行类型检查和算术转换（如果需要）。这就是在 char 类型上应用 ~ 的原因，我们不需要显式编写 ~(int)c — 称为显式类型转换（并且要避免错误）。

注意：

1. c 的值在表达式 ~c 中提升为 int，但 c 的类型仍然是 unsigned char - 它的类型不是。不要混淆。

2. 重要提示：~ 操作的结果是int 类型！，查看以下代码（我没有 vs-compiler，我使用的是 gcc）：

   #include<stdio.h>
   #include<stdlib.h>
   int main(void){
      unsigned char c = 4;
      printf(" sizeof(int) = %zu,\n sizeof(unsigned char) = %zu",
               sizeof(int),
               sizeof(unsigned char));
      printf("\n sizeof(~c) = %zu", sizeof(~c));        
      printf("\n");
      return EXIT_SUCCESS;
   }
   

   编译并运行：

   $ gcc -std=gnu99 -Wall -pedantic x.c -o x
   $ ./x
   sizeof(int) = 4,
   sizeof(unsigned char) = 1
   sizeof(~c) = 4
   

   注意：~c 的结果大小与int 相同，但不等于unsigned char — 此表达式中~ 运算符的结果为int！正如提到的6.5.3.3 Unary arithmetic operators

   1. 一元- 运算符的结果是其（提升的）操作数的负数。整数 对操作数执行提升，并且结果具有提升的类型。

现在，正如@hacks 在他的answer 中所解释的那样，~c 在 32 位机器上的结果和c = 4 的值是：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011

十进制是-5——这是你的第二个代码的输出！

在您的第一个代码中，还有一行很有趣，可以理解b = ~c;，因为b 是一个unsigned char 变量，~c 的结果是int 类型，所以为了适应 ~c 到 b 的结果值，结果值 (~c) 被截断以适合 unsigned char 类型，如下所示：

    1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011  // -5 & 0xFF
 &  0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111  // - one byte      
    -------------------------------------------          
                                  1111 1011  

1111 1011 的十进制等效值为 251。您可以使用以下方法获得相同的效果：

printf("\n ~c = %d", ~c  & 0xFF); 

或如@ouah 在他的answer 中建议的那样使用显式转换。