C语言 为什么补码通过 printf 的行为不同

Question

我正在阅读有关按位运算符的一章，我遇到了 1 的补码运算符程序，并决定在 Visual C++上运行它。

int main ()
{
   unsigned char c = 4, d;
   d = ~c;
   printf("%dn", d);
}

它给出有效的输出：251

然后我决定直接打印~c的值，而不是用d作为变量来保存~c的值。

int main ()
{
   unsigned char c=4;
   printf("%dn", ~c);
}

它给出输出-5 .

为什么没有用？

Answer 1

在此语句中：

printf("%d",~c);

在应用~(按位补码(运算符之前，c将转换为 ^{int 1} 类型。这是因为整数提升，这些提升被调用到~的操作数。在这种情况下，unsigned char类型的对象被提升为(有符号的(int，然后(在~运算符计算之后(由printf函数使用，并匹配%d格式说明符。

请注意，默认参数提升(因为printf是一个可变参数函数(在这里没有任何作用，因为对象已经是 int 类型。

另一方面，在此代码中：

unsigned char c = 4, d;
d = ~c;
printf("%d", d);

将发生以下步骤：

• 由于~，c是整数促销的对象(如上所述(
• ~c 右值被评估为(有符号(int值(例如 -5 (
• d=~c 从 int 隐式转换为 unsigned char，因为d有这样的类型。您可能会认为它与d = (unsigned char) ~c相同。请注意，d不能为负数(这是所有无符号类型的一般规则(。
• printf("%d", d);调用默认参数提升，因此d被转换为int并保留(非负(值(即int类型可以表示unsigned char类型的所有值(。

---

^{1(假设int可以代表unsigned char的所有值(参见下面的T.C.评论(，但它很可能以这种方式发生。更具体地说，我们假设INT_MAX >= UCHAR_MAX成立。通常，sizeof(int) > sizeof(unsigned char)保持和字节由八个位组成。否则，c将转换为unsigned int(如C11子条款§6.3.1.1/p2(，格式说明符也应相应地更改为%u以避免获得UB(C11 §7.21.6.1/p9(。}

Answer 2

char在第二个代码段中操作~之前printf语句中提升为int。所以c ，这是

0000 0100 (2's complement)  

在二进制中被提升为(假设 32 位机器(

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100 // Say it is x  

并且它的按位补码等于值减去一(~x = −x − 1

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011  

以

2 的补码形式以十进制-5。

请注意，默认将char c提升为int

也在

d = ~c;

在补码操作之前，但结果被转换回unsigned char因为d类型为 unsigned char 。

C11： 6.5.16.1 简单赋值 (p2(：

在简单赋值(=(中，右操作数的值被转换为赋值表达式的类型，并替换存储在左操作数指定的对象中的值。

和

6.5.16(第3页(：

赋值表达式的类型是左操作数的类型左值转换后。

Answer 3

要了解代码的行为，您需要学习称为"整数提升"的概念(在对unsigned char操作数进行按位 NOT 操作之前隐式发生在代码中( 如 N1570 委员会草案中所述：

§ 6.5.3.3 一元算术运算符

4. ~运算符的结果是其 (提升的(操作数(即，结果中的每个位都设置为 当且仅 如果未设置转换操作数中的相应位(。这 对操作数执行整数提升，结果具有 升级的类型。如果升级的类型是"无符号类型"，则 表达式 ~E 等效于其中可表示的最大值 键入减号E"。

由于unsigned char类型比int类型窄(因为它需要的字节更少(，因此由抽象机器(编译器(执行的隐式类型提升和变量c的值在编译时(在应用补码操作之前(~被提升为int。它是正确执行程序所必需的，因为~需要一个整数操作数。

§ 6.5 表达式

4. 一些运算符(一元运算符~，二元运算符<<、>>、&、^和|， 统称为按位运算符(需要具有具有 整数类型。这些运算符生成的值取决于 整数，并且具有有符号类型的实现定义和未定义方面。

编译器足够聪明，可以分析表达式，检查表达式的语义，在需要时执行类型检查和算术转换。这就是为什么要char类型应用~，我们不需要显式编写~(int)c - 称为显式类型转换(并且确实避免错误(。

注意：

1. c的值在表达式~c中提升为 int，但c的类型仍然unsigned char - 其类型不。 不要混淆。

2. 重要提示：~操作的结果是int类型！，请检查以下代码(我没有 vs-编译器，我使用的是 gcc(：

   #include<stdio.h>
   #include<stdlib.h>
   int main(void){
      unsigned char c = 4;
      printf(" sizeof(int) = %zu,n sizeof(unsigned char) = %zu",
               sizeof(int),
               sizeof(unsigned char));
      printf("n sizeof(~c) = %zu", sizeof(~c));        
      printf("n");
      return EXIT_SUCCESS;
   }
   

   编译它，然后运行：

   $ gcc -std=gnu99 -Wall -pedantic x.c -o x
   $ ./x
   sizeof(int) = 4,
   sizeof(unsigned char) = 1
   sizeof(~c) = 4
   

   注意：~c 的结果大小与 int 相同，但不等于 unsigned char — 此表达式中~运算符的结果为 int ！ 如前所述 6.5.3.3 一元算术运算符

   3. 一元-运算符的结果是其(提升的(操作数的负数。整数 升级对操作数执行，结果具有升级类型。

现在，正如@haccks在他的回答中也解释的那样 - 在 32 位机器上~c的结果和 c = 4 的值是：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011

在十进制中，它是-5 — 这是您的第二个代码的输出！

在你的第一个代码中，还有一行很有趣，理解b = ~c;，因为b是一个unsigned char变量，~c的结果是int类型，所以为了适应~c结果的值b结果值(~c(被截断以适应无符号字符类型，如下所示：

    1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011  // -5 & 0xFF
 &  0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111  // - one byte      
    -------------------------------------------          
                                  1111 1011  

1111 1011 的十进制等效值为 251 。您可以使用以下方法获得相同的效果：

printf("n ~c = %d", ~c  & 0xFF); 

或者正如@ouah在他的回答中建议的那样，使用显式强制转换。

Answer 4

当应用 ~ 运算符c它被提升为 int 时，结果也是一个int。

然后

• 在第一个示例中，结果被转换为unsigned char，然后提升为signed int并打印。
• 在第二个示例中，结果打印为 signed int 。

Answer 5

它给出了 op -5。 为什么它不起作用？

而不是：

printf("%d",~c);

用：

printf("%d", (unsigned char) ~c);

以获得与第一个示例中相同的结果。

~操作数经历整数提升，默认参数提升应用于可变参数函数的参数。

Answer 6

整数提升，来自标准：

如果具有有符号整数类型的操作数的类型可以表示所有 无符号整数类型的操作数类型的值， 具有无符号整数类型的操作数应转换为 具有有符号整数类型的操作数。