位运算符和整数提升是怎么回事？

Question

我有一个简单的程序。 请注意，我使用了一个大小为 1 字节的无符号固定宽度整数。

#include <cstdint>
#include <iostream>
#include <limits>

int main()
{
    uint8_t x = 12;
    std::cout << (x << 1) << '\n';
    std::cout << ~x;

    std::cin.clear();
    std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');
    std::cin.get();

    return 0;
}

我的输出如下。

24
-13

我测试了更大的数字，操作员 << 总是给我正数，而操作员 ~ 总是给我负数。然后我用sizeof() 发现...

当我使用左移位运算符 (<<) 时，我收到一个无符号的 4 字节整数。

当我使用按位非运算符 (~) 时，我收到一个带符号的 4 字节整数。

似乎按位非运算符（~）像算术运算符一样进行有符号整数提升。但是，左移运算符（<<）似乎提升为无符号积分。

我觉得有义务知道编译器何时在我背后改变了某些东西。如果我的分析是正确的，所有按位运算符是否都提升为 4 字节整数？为什么有些签名有些未签名？我很困惑！

编辑：我关于总是得到正值或总是得到负值的假设是错误的。但是，由于以下出色的答案，我了解了真正发生的事情。

Answer 1

[expr.unary.op]

~ 的操作数应为整数或无范围枚举类型；这 result 是其操作数的反码。 整体促销是 执行。

[expr.shift]

移位运算符<< 和>> 从左到右分组。 [...] 操作数应为整数或无范围枚举类型，并且执行整数提升。

uint8_t的整体推广是什么（通常是unsigned_char在幕后）？

[conv.prom]

除bool、char16_t、char32_t 或 wchar_t 其整数转换等级 (4.13) 小于 int 可以转换为 int 类型的纯右值，如果 int 可以代表所有 源类型的值；否则，源纯右值可以是 转换为 unsigned int 类型的纯右值。

所以int，因为uint8_t 的所有值都可以用int 表示。

int(12) << 1 是什么？ int(24).

~int(12) 是什么？ int(-13).

Answer 2

出于性能原因，C 和 C++ 语言将int 视为“最自然”的整数类型，而将比int“更小”的类型视为某种“存储”类型。

当您在表达式中使用存储类型时，它会自动转换为 int 或隐式转换为 unsigned int。例如：

// Assume a char is 8 bit
unsigned char x = 255;
unsigned char one = 1;

int y = x + one; // result will be 256 (too large for a byte!)
++x;             // x is now 0

发生的情况是第一个表达式中的x 和one 已隐式转换为整数，已计算加法并将结果存储回整数中。换句话说，没有使用两个无符号字符执行计算。

同样，如果表达式中有 float 值，编译器会首先将其提升为 double（换句话说，float 是一种存储类型，double 是自然大小对于浮点数）。这就是如果你使用printf 来打印浮点数的原因，你不需要说%lf int 格式字符串和%f 就足够了（%lf 需要scanf 但是因为那个函数存储结果，float 可以小于double）。

C++ 使事情变得相当复杂，因为在将参数传递给函数时，您可以区分 ints 和更小的类型。因此，并非总是在每个表达式中都执行转换...例如，您可以：

void foo(unsigned char x);
void foo(int x);

在哪里

unsigned char x = 255, one = 1;
foo(x);       // Calls foo(unsigned char), no promotion
foo(x + one); // Calls foo(int), promotion of both x and one to int

Answer 3

我测试了更大的数字，运算符

错了，测试一下：

uint8_t v = 1;
for (int i=0; i<32; i++) cout << (v<<i) << endl;

给予：

1
2
4
8
16
32
64
128
256
512
1024
2048
4096
8192
16384
32768
65536
131072
262144
524288
1048576
2097152
4194304
8388608
16777216
33554432
67108864
134217728
268435456
536870912
1073741824
-2147483648

uint8_t 是一个 8 位长的无符号整数类型，它可以表示 [0,255] 范围内的值，因为该范围包含在 int 的范围内，它被提升为 int（不是 @987654326 @)。升级到 int 优先于升级到 unsigned。

Answer 4

查看two's complement 以及计算机如何存储负整数。
试试这个

#include <cstdint>
#include <iostream>
#include <limits>
int main()
{
uint8_t x = 1;
int shiftby=0;
shiftby=8*sizeof(int)-1;
std::cout << (x << shiftby) << '\n'; // or std::cout << (x << 31) << '\n';

std::cout << ~x;

std::cin.clear();
std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');
std::cin.get();
return 0;
}

输出为-2147483648

一般来说，如果有符号数的第一位是 1，则认为它是负数。当您取大量并转移它时。如果你把它移到第一位是 1 它将是负数

** 编辑 **
好吧，我可以想到移位运算符使用 unsigned int 的原因。考虑右移操作>>，如果你右移-12，你会得到122而不是-6。这是因为它在开头添加了一个零而不考虑符号