如何确定变量的大小限制？答案

【问题标题】：How to determine size limits of variable?如何确定变量的大小限制？
【发布时间】：2015-07-18 17:13:43
【问题描述】：

我正在努力确定每个变量的边缘大小。看不懂下面的问题。

例如，要获取 char 的最大值，我使用：~ 0 >> 1 应该像这样工作：

将 0 转为二进制：0000 0000（我假设 char 存储在 8 位）
否定它：1111 1111（现在我的字符大小已经用完了）
向右移动一位：0111 1111（我得到 127，这似乎是正确的）

现在我想使用printf 函数来呈现这个结果。为什么我必须像这样使用演员表： printf("%d\n", (unsigned char)(~0) >> 1)?

我只是不明白。我认为当我超出 char 范围时它与第 2 点有关，但我不确定。

如果您能对这个问题提供更复杂的解释，我将不胜感激。

【问题讨论】：

数据类型的最小值和最大值在<limits.h>中定义。
Er... 当表达式 ~ 0 >> 1 不包含对类型 char 的单个引用时，您究竟希望如何使用 ~ 0 >> 1 来获得 char 的最大值？ ??为什么~ 0 >> 1 应该给你char 的最大值，而不是short 或long 的最大值？
@AnT：这没什么区别，因为表达式将始终以int 执行（除非任何操作数具有更高的等级）。
@Olaf：这不是我的意思。差异或没有差异，表达式不以任何方式绑定到所需的目标类型。 OP 应该很明显（不管语言的任何其他规则），表达式不能神奇地“知道”OP 所考虑的目标类型。它不能产生char 的最大值，除非它以某种方式明确或隐含地提及char。

标签： c variables limits

【解决方案1】：

请不要使用这些技巧。它们可能在普通机器上工作，但它们可能不便携且难以理解。相反，请使用头文件limits.h 中的符号常量，其中包含每种基本类型的大小限制。例如，CHAR_MAX 是 char 的上限，CHAR_MIN 是下限。在stddef.h 和stdint.h 中声明的数字类型的更多限制可以在stdint.h 中找到。

现在回答您的问题：算术运算默认对 int 类型的值进行，除非您导致所涉及的操作数具有不同的类型。发生这种情况的原因有很多，例如涉及具有不同类型的变量之一，或者您使用不同类型的迭代器（如1.0 或1L 或1U）。更重要的是，算术表达式的类型从内到外提升。因此，在声明中

char c = 1 + 2 + 3;

表达式1 + 2 + 3 被评估为int 类型，并且仅在分配之前立即转换为char。更重要的是，在 C 语言中，不能对小于int 的类型进行算术运算。例如，在表达式c + 1 中，其中c 的类型为char，编译器会在c 加一之前插入从char 到int 的隐式转换。因此，像

这样的语句

c = c + 1;

实际上在 C 中的行为是这样的：

c = (char)((int)c + 1);

因此，~0 >> 1 在通常的 32 位架构上实际上计算为 0xffffffff (-1)，因为类型 int 通常具有 32 位，而有符号类型的右移通常会移动符号位，因此最高有效位变为一个。转换为unsigned char 导致截断，结果为0xff (255)。除了printf 的第一个参数之外的所有参数都是变量参数列表 的一部分，这有点复杂，但基本上意味着所有类型小于比int 都转换为@ 987654352@、float 转换为double，其他类型保持不变。

现在，我们如何才能做到这一点？在具有二进制补码且没有填充位的普通机器上，假设sizeof (char) < sizeof (int)，可以使用这样的表达式来计算最大和最小char：

(1 << CHAR_BIT - 1) - 1; /* largest char */
-(1 << CHAR_BIT - 1);    /* smallest char */

对于其他类型，这会稍微困难一些，因为我们需要避免溢出。这是一个适用于普通机器上所有有符号整数类型的表达式，其中type 是您想要限制的类型：

(type)(((uintmax_t)1 << sizeof (type) * CHAR_BIT - 1) - 1) /* largest */
(type)-((uintmax_t)1 << sizeof (type) * CHAR_BIT - 1)      /* smallest */

对于无符号类型type，您可以使用它来获取最大值：

~(type)0

请注意，所有这些技巧不应出现在可移植代码中。

【讨论】：

在我的机器上，intmax_t 和 size_t 在 stdint.h 中声明。
@cad 类型在stdint.h中声明，但大小限制在limits.h中。
@cad: size_t 实际上应该在stddef.h 中定义。
我知道这一点，但这是一种理解变量大小的练习。
只是补充一点，如果启用了推荐的警告（这里：-Wconversion 用于 gcc），编译器应该抱怨在将整数表达式分配给（很可能）较小的类型（如 @987654370）时可能出现截断@ 没有显式转换。

【解决方案2】：

您的行为的确切效果与您的假设不同。

0 不是0000 0000。 0 的类型为int，这意味着它很可能是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，具体取决于您的平台上int 有多少位。（我假设是 32 位 int。）

现在，~0 预计是 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111，它仍然具有 int 类型并且是一个负值。

当您将其向右移动时，结果是实现定义的。在 C 中右移负符号整数值并不能保证您将在符号位中获得 0。恰恰相反，大多数平台在右移时实际上会复制符号位。这意味着~0 >> 1 仍然会给你1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111。

请注意，即使您在将负值右移时将0 移入符号位的平台上执行此操作，您仍将获得0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111，这通常不是最大值char 你试图获得。

如果您想确保右移操作从左侧移入 0 位，您必须 1) 移动 unsigned 位模式或 2) 移动有符号，但为正位模式。对于负位模式，您可能会遇到符号扩展行为，这意味着对于负值，1 位将从左侧移入，而不是 0 位。

由于 C 语言没有可在 [unsigned/signed] char 类型的域中工作的移位（操作数在移位之前无论如何都会提升为 int），您可以做的是确保您正在移位一个正数 @ 987654342@ 值并确保您的初始位掩码中包含正确数量的1s。这正是您使用(unsigned char) ~0 作为初始掩码所实现的。 (unsigned char) ~0 将作为 int 类型的值参与移位，等于 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111（假设为 8 位 char）。轮班后您将获得0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111，这正是您想要获得的。

【讨论】：

【解决方案3】：

这只适用于无符号整数。对于有符号整数，负数右移和按位反转的行为是实现定义。它不仅取决于负值的表示，还取决于编译器用于执行右移的 CPU 指令（例如，某些 CPU 没有算术（右）移位。

因此，除非您为您的实现设置额外的约束，否则无法确定有符号整数的限制。这意味着没有完全可移植的方式（对于有符号整数）。

请注意，char 是有符号还是无符号也是实现定义的，并且 (unsigned char)(~0) >> 1 受整数提升的约束，因此它不会产生字符结果，而是产生 int。（这使得格式说明符正确 - 尽管可能是无意的）。

使用limits.h 获取实现的整数限制的宏。该文件必须由任何符合标准的 C 编译器提供。

【讨论】：