C语言入坑指南-整型的隐式转换与溢出

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：

1
2

len < a
5

最后的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，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。

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，当你的数据较大可能会超出short int的范围时，你就不该选择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：

1 2	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-数组之谜中找到哦。