都是类型惹的祸——小心unsigned

来源:互联网 时间:1970-01-01

正如我们所知道的,编程语句都有很多的基本数据类型,如char,inf,float等等,而在C和C++中还有一个特殊的类型就是无符号数,它由unsigned修饰,如unsigned int等。大家有没想过,就是因为这些不同的类型,而使大家编写的看似非常正确的程序出现了预想不到的错误呢?
一、迷惑人的有符号下无符号数的比较操作废话不多说,马上来看一下例子,让你先来体验一下这个奇妙的旅程,源代码文件名为unsigned.c,源代码如下:[cpp] view plaincopyprint?

  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3.   
  4. int main()  
  5. {  
  6.     int a = -1;  
  7.     unsigned int b = 1;  
  8.   
  9.     if(a > b)  
  10.         printf("a > b, a = %d, b = %u/n", a, b);  
  11.     else  
  12.         printf("a <= b, a = %d, b = %u/n", a, b);  
  13.     exit(0);  
  14. }  
输出结果为:


看到输出结果之后,你可能会大吃一惊,-1竟然大于1,你没有看错,从输出结果上来看的确是这样。为什么会产生这样的结果呢?这还得从C语言对同时包含有符号数和无符号数表达式的处理方式讲起。
二、有符号数与无符号运算时数强制类型转换方式及底层表示
当执行一个运算时(如这里的a>b),如果它的一个运算数是有符号的而另一个数是无符号的,那么C语言会隐式地将有符号 参数强制类型为无符号数,并假设这两个数都是非负的,来执行这个运算。这种方法对于标准的算术运算来说并无多大差异,但是对于像<和>这样的运算就可能产生非直观的结果。
所以对应回上面的例子,就是它先把-1(变量a的值)这个有符号数强制转换成无符号数,然后再与1(变量b)的值,来进行比较,并假设这两个数原本都是非负的,然后进行比较。那么-1转换为无符号数后,其值为多少呢?你可以写一个小小的程序来验证一下,在32和64位的机子上,-1对应的无符号数应该是4 294 967 295,即32位的无符号数的最大值(UMax),所以if中的条件总是为真。
要想这段代码正常执行,我们需要怎么办呢?很简单,把if语句改为if(a > (int)b)即可。这样程序就会认为是两个有符号数在进行比较,-1就不会隐式地转换为无符号数而变成UMax。
可能你已经有一个问题,为什么使用强制类型,把变量b的类型变成int程序就能正常,而-1转换成无符号数为什么会是4 294 967 295呢?这就得从整型数据在计算机中的表示和C语言对待强制类型转换的方式说起。
我们知道,整数在计算机中通常是以补码的形式存在的,而-1的补码(用4个字节储存)为1111,1111,1111,1111。而C语言对于强制类型转换是怎么处理的呢?对大多数C语言的实现,处理同样字长的有符号数和无符号数之间的相互转换的一般规则是:数值可能会改变,但是位模式不变。也就是说,将unsigned int强制类型转换成int,或将int转换成unsigned int底层的位表示保持不变。
也就是说,即使是-1转换成unsigned int之后,它在内存中的表示还是没有改变,即1111,1111,1111,1111。我们知道在计算机的底层,数据是没有类型可言的,所有的数据非0即1。数据类型只有在高层的应用程序才有意义,也就是说,同样的储存表示对于应用程序而言可能对应着不同的数据,例如1111,1111,1111,1111对于有符号数而言它表示-1,但对于无符号数而言,它表示UMax,但是它们的底层存储都是一样的。现在你应该明白为什么-1转换成无符号数之后,就成了UMax了吧。
三、查看数据的底层表示
为了证明上面所说的内容,请再看下面的代码,里面有个函数show_byte,它可以把从指针start开始的len个字节的值以16进制数的形式打印出来。源文件为showbyte.c,代码如下:[cpp] view plaincopyprint?
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3.   
  4. void show_bytes(unsigned char *start, int len)  
  5. {  
  6.     int i = 0;  
  7.     for(; i < len; ++i)  
  8.         printf(" %.2x", start[i]);  
  9.     printf("/n");  
  10. }  
  11.   
  12. int main()  
  13. {  
  14.     int a = -1;  
  15.     unsigned int b = 4294967295;  
  16.   
  17.     printf("a = %d, a = %u/n", a, a);  
  18.     printf("b = %d, b = %u/n", b, b);  
  19.   
  20.     show_bytes((unsigned char*)&a, sizeof(int));  
  21.     show_bytes((unsigned char*)&b, sizeof(unsigned int));  
  22.     exit(0);  
  23. }  
输出为:


分析:printf函数中,%u表示以无符号数十进制的形式输出,%d表示以有符号十进制的形式输出。通过show_bytes函数,我们可以看到,-1与4 294 967 295的底层表示是一样的,它们的位全部都是全1,即每个字节表示为ff。
四、由于无符号数减法引起的错误
你可能会说,你不会用一个无符号数与一个有符号数作比较,所以你觉得你可以放心了,但是来看看下面的两段代码。代码1是一个求数组中前length个数据的和的函数,数组中元素的个数由参数length给出,代码如下:[cpp] view plaincopyprint?
  1. float sum_elements(float a[], unsigned length)  
  2. {  
  3.     int i = 0;  
  4.     float sum = 0;  
  5.     for(i = 0; i <= length -1; ++i)  
  6.         sum += a[i];  
  7.     return sum;  
  8. }  
如果我告诉你这是一段有错的代码,可能你也不太相信,因为这个函数的一切看起来是这么的自然,因为数据的长度(或个数)肯定是一个非负数,所以把length声明为一个unsigned很合理,计算的数据个数和返回类型也正确。的确如此,但是这都是在length不为0的情况,试想,当调用函数时,把0作为参数传递给length会发生什么事情?回想一下前面我们所说的知识,因为length是unsigned类型,所以所有的运算都被隐式地被强制转换为unsigned类型,所以length-1(即0-1 = -1),-1对应的无符号类型的值为UMax,所以for循环将会循环UMax次,数组也会越界,发生错误。那么如何优化上面的代码呢?其实答案非常简单,你也可以自己想一想,这里就给出答案吧,就是把for循环改为:[cpp] view plaincopyprint?
  1. for(i = 0; i < length; ++i)  
因为去除了length-1,所以当length为0时也能正常比较。
接下来是代码2,它是一个判断第一个字符串是否长于第二个字符串,若是,返回1,若否返回0,代码如下:[cpp] view plaincopyprint?
  1. int strlonger(char *s1, char *s2)  
  2. {  
  3.     return strlen(s1) - strlen(s2) > 0;  
  4. }  
如果我又跟你说这段代码是有bug,你现在找不找得出来呢,还是认为这段代码是没有任何问题的呢?说真的就这么看这个函数好像的确是没有什么问题,但是如果你知道了strlen函数的原型,可能你就会有点明白了,在Linux下可用man 3 strlen命令查看,strlen函数的原型为:[cpp] view plaincopyprint?
  1. size_t strlen(const char *s);  
注意这里有一个数据类型size_t,它被定义在stdio.h文件中,其实它就是unsigned int,一个字符串的长度当然不可能为负,这样的定义显然是合理的,但是有时却因为这样,而存在不少的问题,如函数strlonger的实现。当s1的长度大于等于s2时,这个函数并没有什么问题,但是你可以想像,当s1的长度小于s2的长度时,这个函数会返回什么吗?没错,因为此时strlen(s1) - strlen(s2)为负(从数学的角度来解释的话),而又由于程序把它作为unsigned为处理,则此时的值肯定是一个比0大的值。换句话来说,这个函数只有在strlen(s1) == strlen(s2)时返回假,其他情况都返回真。
下面是我的测试代码:[cpp] view plaincopyprint?
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <string.h>  
  4.   
  5. int strlonger(char *s1, char *s2)  
  6. {  
  7.     return strlen(s1) - strlen(s2) > 0;  
  8. }  
  9.   
  10. int main()  
  11. {  
  12.     char s1[] = "abc";  
  13.     char s2[] = "cd";  
  14.   
  15.     if(strlonger(s1, s2))  
  16.         printf("s1 is longer than s2, s1 = %s, s2 = %s/n", s1, s2);  
  17.     else  
  18.         printf("s1 is shorter than s2, s1 = %s, s2 = %s/n", s1, s2);  
  19.   
  20.     if(strlonger(s2, s1))  
  21.         printf("s2 is longer than s1, s2 = %s, s1 = %s/n", s2, s1);  
  22.     else  
  23.         printf("s2 is shorter than s1, s2 = %s, s1 = %s/n", s2, s1);  
  24. }  
运行结果如下:


从运行结果来看,确实如此,只要s1与s2长度不等,就返回真。那么我们在怎么样改善这段代码呢?其实答案也是很简单的,所函数改为如下即可:[html] view plaincopyprint?
  1. int strlonger(char *s1, char *s2)  
  2. {  
  3.     return strlen(s1) > strlen(s2);  
  4. }  
这样就可以利用两个无符号数进行直接的比较,而不会因为减法而出现负数(数学上来说)而影响比较结果。

五、建议这么看来,unsigned还真是一个危险的东西,大家还是要谨慎使用啊。其实个人建议,没有什么必要的原因,就不要使用unsigned,即使有时它看起来是那么的合理,因为有它在的运算,很多时候会产生非直观的错误,而且这种错误还非常难发现。如果你要使用的话,则尽量避免有符号数与无符号数的比较运算和避免减法运算,在很多时候,在unsigned的世界里,x-y>0与x>y都是不等价的。

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