如何在C中评估轮班操作员

Question

最近，当我使用移位>> <<执行操作时，我注意到了一个（奇怪的）行为！

为了解释它，让我写一个可运行的小代码，它执行两个本应相同的操作（在我的理解中），但我对不同的结果感到惊讶！

#include <stdio.h>
int main(void) {
    unsigned char a=0x05, b=0x05;
    // first operation
    a = ((a<<7)>>7);
    // second operation
    b <<= 7;
    b >>= 7;
    printf("a=%X b=%Xn", a, b);
    return 0;
} 

运行时，a = 5和b = 1。我希望它们都等于1！有人能解释一下我为什么会得到这样的结果吗？

p.S：在我的环境中，unsigned char的大小是1字节

Answer 1

在第一个示例中：

• a被转换为int，向左、然后向右移位，然后被转换回usigned char

这将明显导致CCD_ 9。

在第二个例子中：

• b被转换为int，向左移位，然后被转换回unsigned char
• b被转换为int，向右移位，然后被转换回unsigned char

不同之处在于，在第二个示例中，在转换为unsigned char 的过程中丢失了信息

Answer 2

对行与行之间发生的事情的详细解释：

案例a：

• 在表达式a = ((a<<7)>>7);中，首先评估a<<7
• C标准规定移位运算符的每个操作数都是隐式整数提升的，这意味着如果它们的类型为bool、char、short等（统称为"小整数类型"），则它们将被提升为int
• 这几乎是C中每一位操作员的标准做法。轮班操作员与其他操作员的不同之处在于，他们没有使用另一种常见的、隐含的晋升方式，即"平衡"。相反，移位的结果总是具有提升的左操作数的类型。在这种情况下，int
• 因此a被提升为类型int，仍然包含值0x05。7文本的类型已为int，因此不会升级
• 当你把这个int左移7时，你得到0x0280。运算的结果属于int类型
• 请注意，int是一个有符号的类型，所以如果您继续将数据进一步移位到符号位中，您就会调用未定义的行为。类似地，如果左操作数或右操作数为负值，您也会调用未定义的行为
• 现在可以得到表达式a=0x280 >> 7;。由于两个操作数都已为int，因此不会对下一个移位操作进行提升
• 结果是5，类型为int。然后将此int转换为无符号字符，这很好，因为结果足够小，可以容纳

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案例b:

• CCD_ 29相当于CCD_
• 和以前一样，b被提升为int。结果将再次为0x0280
• 然后，您尝试将此结果存储在一个未签名的字符中。它将不适合，因此它将被截断为只包含最低有效字节0x80
• 在下一行中，b再次被提升为int，包含0x80
• 然后将0x80移位7，得到结果1。这是int类型的，但可以放在无符号字符中，所以它可以放在b中

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好建议：

• 永远不要在有符号整数类型上使用逐位运算符。这在99%的情况下没有任何意义，但可能会导致各种错误和定义不清的行为
• 使用逐位运算符时，请使用stdint.h中的类型，而不是C中的基元默认类型
• 在使用位运算符时，请使用对预期类型的显式强制转换，以防止出现错误和意外的类型更改，但也要明确您实际上了解隐式类型提升是如何工作的，并且您并不是偶然地让代码工作的

编写程序的更好、更安全的方法是：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>    
int main(void) {
    uint8_t a=0x05;
    uint8_t b=0x05;
    uint32_t tmp;
    // first operation
    tmp = (uint32_t)a << 7;
    tmp = tmp >> 7;
    a = (uint8_t)tmp;
    // second operation
    tmp = (uint32_t)b << 7;
    tmp = tmp >> 7;
    b = (uint8_t)tmp;
    printf("a=%X b=%Xn", a, b);
    return 0;
} 

Answer 3

移位操作将对其操作数进行整数提升，在代码中，生成的int将转换回char，如下所示：

// first operation
a = ((a<<7)>>7); // a = (char)((a<<7)>>7);
// second operation
b <<= 7; // b = (char) (b << 7);
b >>= 7; // b = (char) (b >> 7);

引用N1570草案（后来成为C11的标准）：

6.5.7逐位移位运算符：

2. 每个操作数应具有整数类型
3. 对每个操作数执行整数提升。结果的类型是提升后的左操作数。如果右操作数的值为负数或大于或等于提升后的左操作数的宽度，则行为未定义

在C99和C90中也有类似的说法。