符号位扩展问题总结

由如下的一段代码作为本篇文章的引子，也可以通过它看出在写代码时，注意数值转换的重要性。这段代码是将各种类型的数值与unsigned int -1值对比，请注意对比后的结果。

1  #include <stdio.h>
2   
3  #define comp_printf(FIRST, SECOND) printf("LINE%02d:  "#FIRST" %s "#SECOND"\n", __LINE__, FIRST == SECOND?"==":"!=")
4   
5  int main()
6  {
7      const unsigned int ui_pos = static_cast<unsigned int>(-1);
8   
9      char ci_pos_1 = ui_pos;
10      comp_printf(ui_pos, ci_pos_1);
11      char ci_pos_2 = static_cast<char>(-1);
12      comp_printf(ui_pos, ci_pos_2);
13   
14      unsigned char uc_pos_1 = ui_pos;
15      comp_printf(ui_pos, uc_pos_1);
16      unsigned char uc_pos_2 = static_cast<unsigned char>(-1);
17      comp_printf(ui_pos, uc_pos_2);
18   
19      short si_pos_1 = ui_pos;
20      comp_printf(ui_pos, si_pos_1);
21      short si_pos_2 = static_cast<short>(-1);
22      comp_printf(ui_pos, si_pos_2);
23   
24      unsigned short us_pos_1 = ui_pos;
25      comp_printf(ui_pos, us_pos_1);
26      unsigned short us_pos_2 = static_cast<unsigned short>(-1);
27      comp_printf(ui_pos, us_pos_2);
28     
29      unsigned long ul_pos_1 = ui_pos;
30      comp_printf(ui_pos, ul_pos_1);
31      unsigned long ul_pos_2 = static_cast<unsigned long>(-1);
32      comp_printf(ui_pos, ul_pos_2);
33   
34      long long ll_pos_1 = ui_pos;
35      comp_printf(ui_pos, ll_pos_1);
36      long long ll_pos_2 = static_cast<long long>(-1);
37      comp_printf(ui_pos, ll_pos_2);
38         
39      unsigned long long ull_pos_1 = ui_pos;
40      comp_printf(ui_pos, ull_pos_1);
41      unsigned long long ull_pos_2 = static_cast<unsigned long long>(-1);
42      comp_printf(ui_pos, ull_pos_2);
43   
44      return 0;
45  }
46   

上述代码在GCC3.3.4环境编译执行结果如下： 

LINE10: ui_pos == ci_pos_1
LINE12: ui_pos == ci_pos_2
LINE15: ui_pos != uc_pos_1
LINE17: ui_pos != uc_pos_2
LINE20: ui_pos == si_pos_1
LINE22: ui_pos == si_pos_2
LINE25: ui_pos != us_pos_1
LINE27: ui_pos != us_pos_2
LINE30: ui_pos == ul_pos_1
LINE32: ui_pos == ul_pos_2
LINE35: ui_pos == ll_pos_1
LINE37: ui_pos != ll_pos_2
LINE40: ui_pos == ull_pos_1
LINE42: ui_pos != ull_pos_2

由上述的结果我们得出了一个结论，不同类型数字的对比，-1和-1并不都是相等的。究其原因就是对比数字需要将二者转换到同一种类型，而在转换过程中可能存在符号位扩展，由此导致值不尽相同的现象。

LINE25、27在对比前us_pos_1和us_pos_2的值都为0xFFFF，而ui_pos的值为0xFFFFFFFF。当unsigned short和unsigned int对比时，前者向后者的类型转换进行0扩展，也就是0x0000FFFF和0xFFFFFFFF对比，很显然二者是不相同的。

LINE20、22与LINE25、27的不同之处仅在于是它们无符号数，可结果为什么这么大的差别？在对比前si_pos_1和si_pos_2的值都为0xFFFF。当short和unsigned int对比时，前者向后者的类型转换进行1扩展，也就是0xFFFFFFFF和0xFFFFFFFF对比，所以对比的结果为真。

LINE35结果为真的原因是：在赋值时unsigned int 向 long long类型转换，进行0扩展，相当于ll_pos_1=0x00000000FFFFFFFF。在对比时unsigned int再次向long long类型转换，相当于0x00000000FFFFFFFF（us_pos转换后的结果）与0x00000000FFFFFFFF（就是ll_pos_1）对比，所以二者相同。

LINE37结果为假的原因是：在赋值时-1向long long类型转换，-1作为有符号数进行1扩展，相当于ll_pos_1=0xFFFFFFFFFFFFFFFF。在对比时unsigned int向long long类型转换，相当于0x00000000FFFFFFFF（us_pos转换后的结果）与0xFFFFFFFFFFFFFFFF（就是ll_pos_1）对比，显然二者不同。

实际错误例子

由于存在类型转换，对比时如果使用了不恰当的数字类型，极有可能会与自己预想的结果不一样。比如下面的这种情况。

1  std::string s_string("teststring");
2  unsigned short us_pos = s_string.find("google");
3  if (us_pos == std::string::npos)
4      printf("'google' is not found  in 'teststring'\n");
5  else
6      printf("'google' is found in 'teststring'\n");


我们先分析下各值的情况，一般情况下std::string::npos = (size_t)-1，而size_t一般为unsigned int类型。所以us_pos的初始值被赋为(unsigned int)-1，us_pos = 0xFFFF。在对比时us_pos向unsigned int类型转换，相当于0x0000FFFF（us_pos转换后的值）与0xFFFFFFFF（std::string::npos的值）对比。这时打印的信息是：'google’ is found in ‘teststring’。这个结果显然是不对的。正确的情况应该是：std::string::size_type pos = s_string.find(“google”);

转换规则总结

下面我们总结下不同类型数字间转换的规则，以后的编程时请注意数字转换带来的影响。

原类型   转换后类型 转换规则
char --> unsigned char 最高位变成数据位，不再表示符号位
char --> short 符号位扩展
char --> unsigned short 符号位扩展（先符号位扩展到short；然后由short转成unsigned short）
char --> long 符号位扩展
char --> unsigned long 符号位扩展（先符号位扩展到long；然后由long转成unsigned long）
char --> float 先符号位扩展到long；然后由long转成float
char --> double 先符号位扩展到long；然后由long转成double
char --> long double 先符号位扩展到long；然后由long转成long double
short --> char 保留低字节（short si = 0x1234; char ci = si; ci实际为0x34）
short --> unsigned char 保留低字节
short --> unsigned short 最高位变成数据位，不再表示符号位
short --> long 符号位扩展
short --> unsigned long 符号位扩展（先符号位扩展到long；然后由long转成unsigned long）
short --> long long 符号位扩展
short --> unsigned long long 符号位扩展（先符号位扩展到long long；然后再转成unsigned long long）
short --> float 先符号位扩展到long；然后由long转成float
short --> double 先符号位扩展到long；然后由long转成double
short --> long doubile 先符号位扩展到long；然后由long转成long double
int --> long long 符号位扩展
int --> unsigned long long 符号位扩展（先符号位扩展到long long；然后再转成unsigned long long）
long --> char 保留低字节
long --> unsigned char 保留低字节
long --> short 保留低字节
long --> unsigned short 保留低字节
long --> unsigned long 最高位变成数据位，不再表示符号位
long --> long long 符号位扩展
long --> unsigned long long 符号位扩展（先符号位扩展到long long；然后再转成unsigned long long）
long --> float 使用单精度浮点数表示，可能丢失精度。
long --> double 使用双精度浮点数表示，可能丢失精度。
long --> long double 使用双精度浮点数表示，可能丢失精度。
       
unsigned char --> char 最高位作为符号位
unsigned char --> short 0扩展
unsigned char --> unsigned short 0扩展
unsigned char --> int 0扩展
unsigned char --> unsigned int 0扩展
unsigned char --> long 0扩展
unsigned char --> unsigned long 0扩展
unsigned char --> float 先转换到long然后再转换到float
unsigned char --> double 先转换到long然后再转换到double
unsigned short --> char 保留低字节
unsigned short --> unsigned char 保留低字节
unsigned short --> short 最高位作为符号位
unsigned short --> long 0扩展
unsigned short --> unsigned long 0扩展
unsigned short --> float 先转换到long然后再转换到float
unsigned short --> double 先转换到long然后再转换到double
unsigned short --> long double 先转换到long然后再转换到long double
unsigned long --> char 保留低字节
unsigned long --> unsigned char 保留低字节
unsigned long --> short 保留低字节
unsigned long --> unsigned short 保留低字节
unsigned long --> long 最高位作为符号位
unsigned long --> float 转换到long再转换到float
unsigned long --> double 直接转换到double
unsigned long --> long double 转换到long再转换到long double

参考文章：
1、http://www.leskysoft.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=5&id=1&page=1&star=1

符号位扩展问题总结
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