为什么在 C++ 表达式中使用无符号整数时会出错？答案

【问题标题】：Why do I get errors when using unsigned integers in an expression with C++?为什么在 C++ 表达式中使用无符号整数时会出错？
【发布时间】：2010-05-17 17:04:19
【问题描述】：

给定以下一段（伪 C++）代码：

float x=100, a=0.1;
unsigned int height = 63, width = 63;
unsigned int hw=31;
for (int row=0; row < height; ++row)
{
    for (int col=0; col < width; ++col)
    {
        float foo = x + col - hw + a * (col - hw);
        cout << foo << " ";
    }
    cout << endl;
}

foo 的值在 (col - hw) 为负的地方被弄乱了数组的一半。我想因为 col 是 int 并且首先出现，所以表达式的这部分转换为 int 并变为负数。不幸的是，显然它没有，我得到一个无符号值的溢出，我不知道为什么。

我应该如何解决这个问题？对整个或部分表达式使用强制转换？什么类型的转换（C 风格或 static_cast<...>）？使用演员表是否有任何开销（我需要它快速工作！）？

编辑：我将所有无符号整数都更改为常规整数，但我仍然想知道为什么在这种情况下会溢出。

【问题讨论】：

为什么要使用未签名的？它们真的只适用于模算术。使用它们来应用“这不应该成为负面”约束并不是一个很好的用途。

标签： c++ expression unsigned

【解决方案1】：

无符号整数实现无符号算术。无符号算术是模算术。所有值都以 2^N 为模调整，其中 N 是无符号类型的值表示中的位数。

简单来说，无符号算术总是产生非负值。每次表达式应该产生负值时，该值实际上“环绕” 2^N 并变为正值。

当您在 [sub-] 表达式中混合有符号和无符号整数时，无符号算术“获胜”，即在无符号域中执行计算。例如，当您执行col - hw 时，它会被解释为(unsigned) col - hw。这意味着对于col == 0 和hs == 31，您不会得到-31 作为结果。相反，您会得到UINT_MAX - 31 + 1，这通常是一个巨大的正值。

话虽如此，我必须指出，在我看来，使用无符号类型来表示固有的非负值总是一个好主意。事实上，在实践中，C/C++ 中的大多数（或至少一半）整数变量都应该具有无符号类型。您在示例中使用无符号类型的尝试是有充分理由的（如果正确理解意图）。此外，我也将unsigned 用于col 和row。但是，您必须记住无符号算术的工作方式（如上所述）并相应地编写表达式。大多数时候，可以重写表达式，使其不会越过无符号范围的边界，即大多数时候不需要显式地将任何内容转换为有符号类型。否则，如果您最终确实需要使用负值，则适当地转换为有符号类型应该可以解决问题。

【讨论】：

我必须不同意“使用无符号类型总是一个好主意”。我的银行帐户应该始终是肯定的，是的。但是使用无符号数量意味着如果出现问题，我最终会得到一个巨大的正余额。好的。也许银行应该在他们的非信用账户上使用未签名的数量：P
重要的是实体是否可以在语义上变为否定。我银行的余额可以为负数，但电子表格中的行数不能。仅当它与您的类型的语义匹配时才使用 unsigned，并且仅当您愿意付出额外的努力以避免欠载时才使用。
似乎有两种相反的观点：有些人建议使用无符号类型，有些人反对使用无符号类型，两者都有充分的理由。目前我转向后一个位置；与通过强制执行某些规则来帮助避免错误的严格类型控制、常量正确性和其他机制不同，无符号数据类型中没有任何内容可以防止分配（或结果）负值，这可能（默默地）导致灾难，恕我直言。

【解决方案2】：

如何制作height、width 和hw 签名整数？通过使它们未签名，您真正获得了什么？混合有符号和无符号整数总是自找麻烦。至少乍一看，在这里使用无符号值似乎没有任何收获。所以，你不妨让他们都签名，省去你自己的麻烦。

【讨论】：

高度或宽度可以（语义）为负数吗？这导致了其他有趣的问题，例如负面积和体积。如果房子的面积是负数，一个人可以赚取税金吗？如果我的车有负长度，我的车能装进一个小的停车位吗？嗯.....
语义并不总是问题。有很多时候，签名工作得很好，而且你能更好地找到错误，因为在由于错误而环绕时，你最终会得到负数而不是非常小的或非常大的正数。然而，在某些情况下，使用无符号值而不是有符号值确实很有意义。这取决于你在做什么。然而，重要的是不要混合有符号和无符号值。那才是真正麻烦的地方。尽管如此，我还是主张不要使用 unsigned ，除非你需要它，因为它更容易出错。

【解决方案3】：

您的转换规则是倒退的——当您混合相同类型的有符号和无符号版本时，有符号操作数将转换为无符号。

【讨论】：

【解决方案4】：

如果你想让它更快，你应该在开始循环之前 static_cast 所有无符号值并使用它们的 int 版本而不是 unsigned int。您仍然可以要求输入未签名，然后将它们投射到您的算法中，以保留您的函数所需的域。

【讨论】：

【解决方案5】：

强制转换不会自动发生 - 未强制转换的算术仍然有它的用途。通常的示例是 int / int = int，即使数据因不转换为浮点数而丢失。我会使用带符号的 int，除非因为 INT_MAX 太小而无法这样做。

【讨论】：