大小应该使用有符号整数还是无符号整数？

Posted 2023-02-16

【中文标题】大小应该使用有符号整数还是无符号整数？

【英文标题】：Should signed or unsigned integers be used for sizes?

【发布时间】：2017-11-14 10:33:37

【问题描述】：

标准库vector::size() 给出一个size_t，一个无符号数。在 CppCon 的一次演讲中，我听到有人（是 Chandler Carruth 吗？）说这很不幸，应该使用有符号整数。

背景是没有为有符号整数定义溢出，因此编译器有更多的余地。在一次谈话中，Carruth 展示了 uint8_t 作为 bzip2 中的 for 循环索引如何在 x86 上创建比 int8_t 更多的机器指令，因为它必须使用掩码和移位显式模拟溢出。

在我现在处理的代码中，某些大小是严格正数的。这些表示为size_t。这看起来不错，因为这表明它们不可能是负面的。另一方面，不需要定义的模运算，所以只要有符号整数足够大（我们去像 200），无符号整数就会有错误的接口来进行我们想要的算术运算。

在代码中的某个点，存在从 0 到这个大小的循环。然后减去循环索引，取绝对值。

当我使用更现代的 GCC 7 编译它时，它无法解决 std::abs 的正确重载，因为显然 size_t - size_t 给出了模棱两可的值。我已将代码更改为在循环索引中使用 int：

for (int t1 = 0; t1 < Lt; t1++) 
  for (int t2 = 0; t2 < Lt; t2++) 

现在abs(t1 - t2) 工作正常。但是比较 t1 < Lt 会发出警告，因为它是有符号数和无符号数之间的比较。

什么是正确的方法？

对非负数使用无符号整数，然后在需要减法时使用static_cast<int>()。 循环索引使用有符号整数，容器大小使用无符号整数。然后在比较中使用static_cast<int>。 在任何地方都使用有符号整数。当其他库返回无符号整数时，只需在此处使用static_cast<int> 即可满足警告。

【问题讨论】：

如果你想要一个有符号的值，使用ssize_t（注意额外的s）而不是int。

This 可能很有趣。

@Martin Ueding 所有这些考虑都没有意义。只是忽略他们。如果某些实体不能否定，则使用适当的无符号类型。

@VladfromMoscow：是的。然后执行for (unsigned int i=0; i<size-1; i++) 之类的错误 - 如果大小为 0，则循环 UINT_MAX 次。加上无符号整数禁用某些优化。这是一个糟糕的建议。

@juanchopanza：我想过这个，但没有写。不涉及模算术，在 Carruths 演讲之后，我认为无符号整数用于模算术而不是非负值。

【参考方案1】：

“在一次谈话中，Carruth 展示了 uint8_t 作为 bzip2 中的 for 循环索引如何在 x86 上创建比 int8_t 更多的机器指令，因为它必须使用掩码和移位显式模拟溢出。”

好吧，如果您可以使用任一类型，则 for-range 必须限制为 [0, 127]。只需使用int 作为索引类型，然后。它根据定义是基本数学运算的自然类型，通常很好地映射到 CPU 寄存器。

使用针对最小存储优化的类型不会生成最快的数学运算，不会。这并不奇怪。您无法根据此类有缺陷的设置得出关于签名与未签名的结论。

“size_t - size_t 给出了模棱两可的值”

嗯，它没有，但它确实使用了模运算。 size_t(1)-size_t(2)==size_t(-1)，但 size_t(-1) 是最大可能值。这直接来自模块化数学的定义：x-1 < x，除非x-1 环绕，因为x==0。 （或等价于x+1>x，x+1==0 除外）

因此调用abs(size_t(x)) 也毫无意义，因为每个size_t 值都是正数。将有符号整数与size_t 进行比较同样会带来意想不到的后果。明确的演员表是好的，因为它们使后果清楚。

但是没有通用的解决方案可以自动确定应该应用哪个演员表。如果可以发明机械规则，我们可以将该规则留给编译器。我们没有，因为我们做不到。作为程序员，您必须以数字方式考虑每种情况。