为什么我们在 C 中有无符号和有符号的 int 类型？

Question

我是 C 的初学者。我最近了解了2's Complement 和其他表示负数的方式以及为什么2's complement 是最合适的方式。

我想问的是例如，

int a = -3;
unsigned int b = -3; //This is the interesting Part.

现在，对于int类型的转换

标准说：

6.3.1.3 有符号和无符号整数

当整数类型的值被转换为_Bool以外的其他整数类型时，如果 该值可以用新类型表示，它是不变的。

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。

第一段不能用-3不能代表unsigned int。

因此第 2 段开始发挥作用，我们需要知道 unsigned int 的最大值。它可以在 limits.h 中以 UINT_MAX 的形式找到。本例中的最大值为4294967295，因此计算为：

-3 + UINT_MAX + 1 = -3 + 4294967295 + 1 = 4294967293  

现在4294967293 二进制是11111111 11111111 11111111 11111101 和-3 2 的补码形式是11111111 11111111 11111111 11111101 所以它们本质上是相同的位表示，无论我试图分配什么负整数，它总是相同的无符号int.So 不是无符号类型多余的。

现在我知道printf("%d" , b) 根据标准是一种未定义的行为，但这不是一种合理且更直观的做事方式。如果否定表示为2's Complement，则表示将是相同的，这就是我们现在所拥有的，并且使用的其他方式很少见，并且很可能不会在未来的发展中。

所以如果我们只能有一种类型说 int ，现在如果 int x = -1 然后 %d 检查符号位并打印负数如果符号位是 1 和 %ualways 解释纯二进制数字（位）原样。由于使用了2's complement，所以已经处理了加法和减法。那么，这种做事方式不是更直观、更简单吗？

Answer 1

同时拥有输入、输出和计算都很方便。例如，比较和除法分为有符号和无符号两种（顺便说一句，在位级乘法对于无符号和 2 的补码有符号类型是相同的，就像加法和减法一样，两者都可以编译成 CPU 的相同乘法指令）。此外，无符号操作在溢出的情况下不会导致未定义的行为（被零除除外），而有符号操作会。总体而言，无符号算术定义良好，无符号类型只有一种表示形式（与有符号类型的三种不同表示不同，尽管如今实际上只有一种）。

有一个有趣的转折。现代 C/C++ 编译器利用签名溢出导致未定义行为这一事实。逻辑是它永远不会发生，因此可以进行一些额外的优化。如果它真的发生了，标准会说它是未定义的行为，并且你的错误程序在法律上被搞砸了。这意味着您应该避免签名溢出和所有其他形式的 UB。但是，有时您可以仔细编写永远不会导致 UB 的代码，但使用有符号算法比使用无符号算法更有效。

请研究未定义、未指定和实现定义的行为。它们都列在标准末尾的附件之一（J？）中。

Answer 2

我的回答更抽象，在我看来，在 C 中你不应该关心内存中整数的表示。 C把这个抽象给你，这很好。

将整数声明为unsigned 非常有用。这假设该值永远不会是负数。像浮点数处理实数，signed整数处理...整数和unsigned整数处理自然数。

当您创建负整数会导致未定义行为的算法时。您可以确定您的无符号整数值永远不会是负数。例如，当您迭代数组的索引时。负索引会导致未定义的行为。

另一件事是，当您创建公共 API 时，当您的某个函数需要大小、长度、重量或其他任何对负面没有意义的东西时。这有助于用户理解此值的用途。

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另一方面，有些人不同意，因为unsigned 的算术并没有像人们最初期望的那样工作。因为当 unsigned 等于 0 时递减，它将传递到一个非常大的值。有些人期望他等于-1。例如：

// wrong
for (size_t i = n - 1; i >= 0; i--) {
  // important stuff
}

这会产生一个无限循环，如果 n 等于 0 甚至更糟，编译器可能会检测到它，但不是一直检测到：

// wrong
size_t min = 0;
for (size_t i = n - 1; i >= min; i--) {
  // important stuff
}

用无符号整数来做这件事需要一个小技巧：

size_t i = n;
while (i-- > 0) {
  // important stuff
}

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在我看来，在语言中拥有unsigned 整数非常重要，如果没有，C 将不完整。

Answer 3

我认为一个主要原因是运营商和运营取决于签名。

如果有符号类型使用 2 的补语，您已经观察到加/减行为对于有符号和无符号类型是相同的（而您一直忽略了这个“如果”有时不是这种情况的事实。）

在许多情况下，编译器需要签名信息来理解程序的目的。

1.整数提升。

当较窄的类型转换为较宽的类型时，编译器将根据操作数的类型生成代码。

例如如果您将signed short 转换为signed int 并且int 比short 宽，编译器将生成执行转换的代码，并且该转换不同于“unsigned short”到“signed int”（符号扩展或不是）。

2。算术右移

-1>>1 仍然可以是-1 如果实现选择，但0xffffffffu>>1 必须是0x7fffffffu

3.整数除法

同样，-1/2 是 0，0xffffffffu/2 是 0x7fffffffu

4. 32bit 乘以 32bit，得到 64 位结果：

这有点难以解释，所以让我用代码代替。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

int main(void) {
    // your code goes here
    int32_t a=-1;
    int32_t b=-1;
    int64_t c = (int64_t)a * b;
    printf("signed: 0x%016"PRIx64"\n", (uint64_t)c);

    uint32_t d=(uint32_t)-1;
    uint32_t e=(uint32_t)-1;
    uint64_t f = (uint64_t)d * e;
    printf("unsigned: 0x%016"PRIx64"\n", f);

    return 0;
}

演示：http://ideone.com/k30nZ9

5.当然，还有比较。

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一个人可以设计一种无符号语言，但是很多操作符需要分成两个或多个版本，以便程序员可以表达程序的目的，例如运算符/需要拆分为udiv和sdiv，运算符*需要拆分为umul和smul，整数提升需要显式，运算符>需要为@987654342 @/ucmpgt............

那将是一种可怕的语言，不是吗？

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奖励：所有指针通常具有相同的位表示，但具有不同的运算符[]、->、*、++、--、+、-。

Answer 4

嗯，最简单和通用的答案是内存维护，C 语言中的每个变量在我们声明它时都会在主内存 (RAM) 中保留一些内存空间，例如： unsigned int var; 将保留2 or 4 字节，范围为0 to 65,535 或0 to 4,294,967,295。

签名int 的范围为-32,768 to 32,767 或-2,147,483,648 to 2,147,483,647。

重点是有时您只是不能为负数的正数，例如您的年龄显然不能为负数，因此您将使用“无符号整数”。同样，在处理那些可能包含与signed int 相同范围的负数时，我们将不会使用它。简而言之，一个好的编程习惯是根据我们的需要使用适当的数据类型，这样我们就可以有效地使用计算机内存，并且我们的程序会更加紧凑。

据我所知，关于 2 的补全是关于特定数据类型或更具体的正确基数。我们根本无法确定它是否是特定数字的 2 补码。但是由于计算机处理二进制，我们仍然有字节数，例如 8 位中 7 的 2 的补码与 32 位和 64 位中的不同。