C 无符号整数减法、宏和类型转换

Posted 2023-02-14

【中文标题】C 无符号整数减法、宏和类型转换

【英文标题】：C unsigned integer subtraction, macros, and typecasting

【发布时间】：2013-02-06 02:51:39

【问题描述】：

为示例代码的 Objective-C 特性道歉，但我很确定我的问题的答案在 C 标准库和/或 Apple clang 编译器中。

我有一个NSArray，其中包含可变数量的项目。我想使用项目计数来创建一个介于 1 和 3 之间的值。我正在使用 C MAX 宏，但它有一些奇怪的行为：

NSLog( @"%d %d %d %d", 1, [tasks count], 3 - [tasks count], MAX( 1, 3 - [tasks count] ) );

当增加tasks 中的项目数时，此日志语句的输出是这样的：

1 0 3 3
1 1 2 2
1 2 1 1
1 3 0 1
1 4 -1 -1

我稍微研究了一下文档，发现count 函数返回了NSUInteger。我的困境的解决方案只是将返回值类型转换为NSInteger：

NSLog( @"%d %d %d %d", 1, (NSInteger)[tasks count], 3 - (NSInteger)[tasks count], MAX( 1, 3 - (NSInteger)[tasks count] ) );

1 0 3 3
1 1 2 2
1 2 1 1
1 3 0 1
1 4 -1 1

（如果你不熟悉 Objective-C，在 32 位架构上，NSInteger 的类型定义为 int，NSUInteger 是 unsigned int。）

我很难理解在我的原始代码中隐式发生的类型转换，这导致了我不直观的结果。有人能点亮吗？

【参考方案1】：

打开编译器警告。正如你所说，Objective C 位无关紧要，所以我将从这里开始引用 C。

假设您的 MAX() 宏是这样定义的（使用 GCC 扩展）：

#define MAX(x, y) ( typeof (x) _x = (x); \
                     typeof (y) _y = (y); \
                     _x > _y ? _x : _y )

（MAX() 宏是非标准的

当您计算 MAX(1, 3 - [tasks count]) 时，您会得到：

int x = 1;
unsigned y = 3 - [tasks count];
x > y ? x : y;

现在，可以在 C 中正确比较 int 和 unsigned，但这不是您在 C 中使用 x > y 时得到的行为。相反，两个操作数都转换为 unsigned（由于到“通常的算术转换”）。

所以您的比较是(unsigned) 1 > (unsigned) -1，这是错误的，因为(unsigned) -1 是最大可能的unsigned，在大多数系统（32 位和64 位）上是0xffffffff。

哪里出错了？

NSLog(@"%d", [tasks count]);

这在技术上是错误的，您将unsigned 传递给NSLog()，但使用了%d 格式说明符，它用于int。请改用%u，或先将您的值转换为int。

编译器警告

编译器会发出两个警告：

它可能告诉您在计算 MAX(1, 3 - [tasks count]) 时正在比较有符号和无符号。

当格​​式需要 int 时，它会告诉您您正在将 unsigned 传递给 NSLog()。

【讨论】：

Xcode 的默认编译器配置没有给我这些警告。如果有的话，我就不会浪费两个小时来调试它了。我必须打开“隐式签名转换”，然后给出 150 个我不关心的其他警告。

@jab：这也归结为风格问题。如果我负责您的代码，我会保留警告并修复代码，直到所有警告都消失。我的猜测是，在生成警告的代码中的这 150 个位置中的一些或许多位置中存在一些意外行为。这些警告默认情况下没有打开的事实反映了，IMO，大多数代码都是草率的，如果诊断消息太多，大多数程序员会忽略诊断消息。我通常用-Werror 编译，如果有any 警告，它会阻止代码编译。

这很容易演变成关于强类型语言与动态语言的争论……我只想说，大多数时候，我对无符号整数和有符号整数之间的区别不感兴趣。有时它会咬我，很明显，但我最终打赌我会浪费更多时间修复编译器警告，而不是节省调试这些罕见情况的时间。懒惰是一种美德。

@jab：好吧，只要您可以编写带有这些警告检测到的缺陷类型的代码。我曾多次被签名/未签名比较所困扰，多年来，此类错误已导致各种产品中出现许多安全漏洞。它并不比缓冲区溢出更安全，如果你已经确定了自己的位置，我所说的也不会让你关心缓冲区溢出。

这也不是关于静态与动态类型的真正区别。大多数动态语言使这种错误不可能发生。具体来说，这实际上更像是算术在 C 中的工作方式的一个怪癖。有人将此称为“强”和“弱”类型系统之间的区别。

【参考方案2】：

3 - [tasks count] 使用无符号类型完成，因此减法回绕，变为 0xffffffff。所以你会得到无符号类型的 MAX(1, 0xffffffff)。

但是，您将其打印为有符号整数，因为您的 NSLog 格式化字符串是“%d”，它将使 NSLog 将参数的位视为有符号整数，并且位模式 0xfffffff 为 -1 .

【讨论】：

是的。当然，使用错误的格式说明符无论如何都会调用 UB。

@H2CO3：在这种情况下它会调用 UB，但使用错误的说明符并不总是会导致 UB（您可以将 %u 和 %d 互换为 int 范围内的正值） .