C语言入坑指南-整型的隐式转换与溢出

红太狼 2022-04-17 00:48 250阅读 0赞

## 前言 ##

我们知道整型有无符号数和有符号数之分。如果我们对无符号数和有符号数处理不当，就可能造成难以预测的结果，尤其是在作为循环条件的时候，可能导致死循环。整型之间的运算还可能导致出现另外一个问题－溢出。本文将分别介绍它们。

## 隐式类型转换 ##

我们看一下下面的程序：

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    int main(void)
    {
        char *p = "hello";
        int a = -1;
        /*比较字符串的长度和a的大小*/
        if(strlen(p) > a)
        {
            printf("len > a\n");
        }
        else
        {
            printf("len < a\n");
        }
        printf("%d\n",strlen(p));
        return 0;
    }

程序中，将字符“hello”的长度与-1进行比较，按照我们平常的认识，长度5肯定大于-1，最后应该会打印len > a。但是事实是，最后的输出结果如下：

len < a
    5

结果出乎我们的意料，为什么结果会是len < a？5明明大于-1啊！

原因在于**有符号数与无符号数进行运算时，会发生隐式类型转换，有符号数会转换为无符号数**。  
我们查看strlen的手册可以知道，它的返回值为size\_t类型，虽然我们不能确定它到底是long unsigned int（64位程序）还是unsigned int（32位程序），但可以确定的是，它是一个无符号数。因此作为一个有符号数的-1和一个无符号数len进行比较时，-1会被转换为无符号数。  
而负数是以补码的形式存储的，-1在内存中存储的是11111111 11111111 11111111 11111111（二进制），而它转换为无符号数，就变得很大了，即4294967295。因此，最后比较的结果必然是 len < a。

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## 溢出 ##

溢出指的是计算产生的结果很大，超出了该类型所能表示的范围。例如，int所能表示的最大值为2147483647，如果两个数相加的结果大于它，那么就会发生溢出。我们想当然的可以用这种巧妙的办法来判断是否溢出：

#include <stdio.h>
    int main(void)
    {
        int a = 0;
        int b = 0;
        scanf("%d,%d",&a,&b);
        if(a+b < 0)
        {
            printf("overflow\n");
        }
        else
        {
            printf("%d",a+b);
        }
        return 0;
    }

假如a和b的值都是正整数，按照我们前面的认识，如果发生了溢出，那么它是一个很大的数，而作为有符号数时，就是一个负数。既然如此，检测它们相加是否小于0不就可以知道是否溢出了吗？

虽然这个方法很多时候都能奏效，但不幸的是，溢出的结果是未定义的。也就是说，任何对于溢出后的假设都是不明智的。有些机器它的结果是可能是一个负数，但有的结果可能是一个代表溢出的特殊值。这个时候，这种检测方式就不再奏效了。

## 溢出检测 ##

我们可以通过下面的方式来检测溢出：

if(a > INT_MAX - b)
    {
        printf("overflow\n");
    }

我们利用整型的最大值减去其中一个数，然后与另一个数进行比较。其中INT\_MAX定义在limit.h头文件中，它表示整数的最大值。  
当然，我们还可以通过下面的方式来检测：

if((unsigned int)a + (unsigned int)b > INT_MAX)
    {
        printf("overflow\n");
    }

将两个数都先转换成无符号数进行计算，运算后的结果与INT\_MAX进行比较。

## 尽量避免 ##

虽然我们有方法来检测溢出，但是我们建议的是尽量去避免溢出的发生。可以通过下面的方式来避免：

*  选择合适的数据类型，当数据较大可能会超出short int的范围时，就不该选择short int，而应该选择int等所表示范围更大的类型。
 *  在设计上尽量回避溢出。例如，要计算两个整数的平均值，我们想到的方法可能是(a+b)/2，但是这样却有溢出的风险，我们可以换一种方式：a-(a-b)/2，这种方式就回避了溢出的问题。

当然对于不可避免的可能发生溢出的情况，我们需要进行检测并进行后处理，而非忽略。

## 总结 ##

对于整型隐式转换和溢出相关内容，我们做一个总结：

*  避免有符号数和无符号数直接进行算术运算。
 *  一个很小的负数被转换成有符号数时，将会变得很大。因此一个无符号数和一个有符号负数的比较结果几乎是显而易见的。
 *  溢出的结果是未定义的，不要期望对它做任何假设。
 *  尽量避免溢出问题。
 *  java中没有无符号数。

## 思考 ##

基于第一个示例程序，有如下操作：

p[0] = 'H';  //操作1
    sizeof(p);   //操作2

*  操作1合法吗？为什么？
 *  操作2的值是多少？
 *  为什么-1在内存中的存储为全1？

第一个问题的答案可以在[C语言入坑指南-数组之谜][C_-]中找到哦。

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