【重磅】“整型數(shù)”還真沒(méi)那么簡(jiǎn)單(C語(yǔ)言版)

    數(shù)據(jù)對(duì)于存儲(chǔ)器而言都是二進(jìn)制的0101...，也就是我們所說(shuō)的機(jī)器碼。而我們所定義的類型就相當(dāng)于確定了這塊內(nèi)存占據(jù)多大的位置和以怎么這樣的方式進(jìn)行解析。比如說(shuō)16進(jìn)制:0xFF,在unsigned char中表示255，而在signed char中表示-1，其他數(shù)據(jù)類型也是類似的道理。如果你再看得抽象一點(diǎn)把指針拿過(guò)來(lái)一起理解，可以把變量看成是地址固定不變的指針。

    先上理論知識(shí):(注意:浮點(diǎn)數(shù)不是以該方式存儲(chǔ))

原碼：

• 正數(shù):符號(hào)位為0，其他為正常二進(jìn)制。

• 負(fù)數(shù):符號(hào)位為1，其他為絕對(duì)值二進(jìn)制。

反碼：

• 正數(shù):與原碼一致。

• 負(fù)數(shù):符號(hào)位為1，其他位按位取反。

補(bǔ)碼：

• 正數(shù):與原碼一致。

• 負(fù)數(shù):反碼+1。

    對(duì)于整形數(shù)計(jì)算機(jī)上的存儲(chǔ)都是以補(bǔ)碼的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，那么對(duì)于正數(shù)就按照正常的二進(jìn)制進(jìn)行存儲(chǔ)，而負(fù)數(shù)則對(duì)原碼進(jìn)行反碼+1存儲(chǔ)，在我們平時(shí)進(jìn)行仿真或者調(diào)試過(guò)程中用無(wú)符號(hào)輸出負(fù)數(shù)會(huì)有一個(gè)非常大的數(shù)據(jù)，其實(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)就是該負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼。

    比如:char類型的-3，其原碼為1000 0011-->反碼為11111100-->其補(bǔ)碼為:11111101，如果我們采用unsigned char類型顯示則為:253，如果我們知道原碼那就反過(guò)來(lái)進(jìn)行計(jì)算即可。同樣其他整形數(shù)據(jù)類型也是一樣的實(shí)現(xiàn)方式。

    大家應(yīng)該都知道1 - 1 = 1 + (-1) = 0,那么計(jì)算機(jī)為了簡(jiǎn)化運(yùn)算就把(-1)用另外一種方式存儲(chǔ)，這樣計(jì)算機(jī)就只需要進(jìn)行加法運(yùn)算，于是便產(chǎn)生了補(bǔ)碼。同樣四則運(yùn)算中的乘法和除法運(yùn)算都可以通過(guò)加法進(jìn)行表示。(有一種"道生一、一生二、二生三、三生萬(wàn)物"的精妙)

    通過(guò)上面我們也可以看出直接用原碼進(jìn)行計(jì)算，最終結(jié)果竟然成為了-2，明顯不符合；而采用補(bǔ)碼計(jì)算，由于采用byte計(jì)算，進(jìn)位被截?cái)嗔?，從而獲得了最終的結(jié)果0.同時(shí)使用補(bǔ)碼的形式也規(guī)避掉了原碼中0映射問(wèn)題，如下圖所示。

    這里我以char和unsigned char類型來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)于其他整形數(shù)據(jù)同樣分析即可，首選我們來(lái)看看使用補(bǔ)碼以后的數(shù)據(jù)表示范圍問(wèn)題，目前最經(jīng)典的圖形表示方法就是采用環(huán)形表示，如下圖:

    這樣表示的好處是，一旦數(shù)據(jù)溢出，直接順著變化的方向即可找到對(duì)應(yīng)的值。這里也貼出實(shí)驗(yàn)的代碼如下:

 1#include <stdio.h>
 2#include <stdlib.h>
 3/********************************************************
 4 * Fuction:測(cè)量char類型數(shù)據(jù)溢出問(wèn)題 
 5 * Author :(公眾號(hào):最后一個(gè)bug) 
 6 *******************************************************/
 7int main(int argc, char *argv[]) {
 8    char Val           = 5;
 9    char Val1          = 123;
10    unsigned char Val2 = 5;
11    unsigned char Val3 = 123;
12    int i = 0;
13
14    printf("char    |     char    |     uchar   |     uchar\n");
15    printf("-----------------------------------------------\n");        
16    for(i = 0;i < 9;i++)
17    {
18        printf("%4d  ******  ",--Val);  
19        printf("%4d  ******  ",++Val1);
20        printf("%4d  ******  ",--Val2);
21        printf("%4d\n",++Val3);
22    }
23    printf("\n公眾號(hào):最后一個(gè)bug\n"); 
24}

    最終輸出的結(jié)果與我們的環(huán)形結(jié)構(gòu)是相符合的，結(jié)果如下:

    提個(gè)幾個(gè)問(wèn)，有符號(hào)char類型中的-128取相反數(shù)會(huì)獲得什么值?無(wú)符號(hào)取相反數(shù)又等于什么呢?不防敲個(gè)代碼實(shí)驗(yàn)下，代碼簡(jiǎn)單直接上結(jié)果:

    我們可以得出結(jié)論:相反數(shù)直接關(guān)于環(huán)形對(duì)稱。同樣其他的數(shù)據(jù)類型也是同樣的性質(zhì)，僅僅只是數(shù)據(jù)范圍變大了。

    首先我們來(lái)看一下一段簡(jiǎn)單的代碼:(前方高能?。?

 1#include <stdio.h>
 2#include <stdlib.h>
 3/********************************************************
 4 * Fuction: 算數(shù)轉(zhuǎn)化測(cè)試
 5 * Author :(公眾號(hào):最后一個(gè)bug) 
 6 *******************************************************/
 7int main(int argc, char *argv[]) {
 8    int Val1 = -2;
 9    unsigned int  Val2 = 1;
10
11    if(Val1 > Val2)
12    {
13        printf("-2 > 1\n");     
14    }
15    else
16    {
17        printf("-2 < 1\n");     
18    }
19    printf("\n公眾號(hào):最后一個(gè)bug\n"); 
20}

    了解算數(shù)轉(zhuǎn)化概念的小伙伴應(yīng)該都知道，該程序并不會(huì)輸出我們常規(guī)的-2 < 1，而是輸出-2 > 1這個(gè)結(jié)果，這個(gè)與我們的常規(guī)結(jié)果有點(diǎn)不符合。(眼見(jiàn)為實(shí)，下圖看結(jié)果)

    作者第一個(gè)接觸到這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候都懷疑人生了，這C也太坑了，一言不合就把我給弄得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)。既然C這樣做肯定有其原因吧，分析疑難雜癥從匯編做起:(DevC++,gcc-32bit)

    我們看到if語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的匯編cmp指令和jbe跳轉(zhuǎn)指令；其中jbe用于判斷無(wú)符號(hào)跳轉(zhuǎn)指令，那么會(huì)把EAX直接當(dāng)成無(wú)符號(hào)類型進(jìn)行處理，從而得到了我們上述的結(jié)果，如果你把上面的代碼Val2改成int類型，然后查看匯編文件會(huì)得到如下結(jié)果:

    其中唯一的區(qū)別就是jle，該匯編指令為有符號(hào)條件轉(zhuǎn)移指令，你可以編譯一下能夠得到我們想要的結(jié)果。

    我們這里所說(shuō)的算數(shù)轉(zhuǎn)化其實(shí)就是一種隱式的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化，我們平時(shí)大部分都是使用的顯示強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化，就像我們上面的程序，其實(shí)這種情況是比較危險(xiǎn)的，我們大部分匯編指令都是具有相同類型操作數(shù)，那么如果操作數(shù)類型不同，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)化。(大家可以參考下面的類型進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理)

    原則:數(shù)據(jù)都是優(yōu)先轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)數(shù)據(jù)類型，浮點(diǎn)與整形優(yōu)先轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)運(yùn)算，無(wú)符號(hào)與有符號(hào)優(yōu)先轉(zhuǎn)化為無(wú)符號(hào)。

    經(jīng)常有很多小伙伴把整形提升與算數(shù)轉(zhuǎn)化混合一起談，其實(shí)算數(shù)轉(zhuǎn)化是為了讓操作數(shù)一致而進(jìn)行的隱式類型轉(zhuǎn)化，而整形提升是對(duì)于短類型轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)類型進(jìn)行處理的一種方式，這個(gè)是必然的過(guò)程，不管類型是否一致。

 1#include <stdio.h>
 2#include <stdlib.h>
 3/********************************************************
 4 * Fuction:整形提升 
 5 * Author :(公眾號(hào):最后一個(gè)bug) 
 6 *******************************************************/
 7int main(int argc, char *argv[]) {
 8    char          Val1 = 1;
 9    unsigned char Val2 = 2;
10
11    printf("sizeof(Val1)        = %d\n",sizeof(Val1)); 
12    printf("sizeof(-Val2)       = %d\n",sizeof(-Val1)); 
13    printf("sizeof(Val2 - Val1) = %d\n",sizeof(Val2 - Val1)); 
14    printf("\n公眾號(hào):最后一個(gè)bug\n"); 
15}

    最終輸出的結(jié)果:

解析一下：

    對(duì)于整形提升，其實(shí)主要是為了增加CPU運(yùn)算效率，就跟我們前面說(shuō)補(bǔ)碼一樣，CPU只想用加法就能夠?qū)崿F(xiàn)4則運(yùn)算，那么其處理數(shù)據(jù)也是一樣的，大部分的寄存器都是32位的(僅僅對(duì)于32位機(jī)器)，比如上面匯編中的EAX寄存器，CPU就想直接處理32位的數(shù)，并且效率也高，計(jì)算完畢以后再轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的類型獲得最后的結(jié)果，對(duì)于char等等這些短數(shù)據(jù)類型在進(jìn)行運(yùn)算或者比較的過(guò)程中都會(huì)采用int類型進(jìn)行處理，如果有更加長(zhǎng)的數(shù)據(jù)類型會(huì)優(yōu)先轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)類型。

    估計(jì)大家看完以后都不敢隨便寫(xiě)代碼了，其實(shí)不要慌，在編碼的過(guò)程中一定要對(duì)每個(gè)變量的范圍和變化都要了然如胸，在進(jìn)行運(yùn)算操作的時(shí)候最好是相同類型，切記最好不要將有符號(hào)和無(wú)符合混合使用，如果硬要混合記得顯式強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。

    好了，這里是公眾號(hào):“最后一個(gè)bug”，一個(gè)為大家打造的技術(shù)知識(shí)提升基地。同時(shí)非常感謝各位小伙伴的支持，我們下期精彩見(jiàn)！

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