【C语言】unsigned 与 signed 详解

news2024/11/26 6:24:29

1. 基本概念

整数在存储单元中都是以补码形式存储的，存储单元中的第 1 个二进制位代表符号。整型变量的值的范围包括负数到正数。但是在实际应用中，有的数据的范围常常只有正值（如学号、年龄等），为了充分利用变量的值的范围，可以将变量定义为“无符号”类型。可以在类型符号前面加上修饰符 unsigned ，表示指定该变量是“无符号整数”类型。如果加上修饰符 signed，则是“有符号”类型。如果不加任何的修饰符，默认就是有符号数。例如 int 与 signed int 等价
有符号整型数据存储单元中最高位代表数值的符号，如果指定为无符号型，存储单元中全部二进制位都用作存放数值本身，而没有符号。无符号变量只能存放没有符号的整数，不能存放负数，如 -123 等。由于无符号整型变量不用符号位，所以可表示数值的范围是一般整型变量中的两倍。下面表格中展示了各种无符号整型的数值表示范围

无符号整型	可表示的范围
unsigned char	0~(2⁸-1)
unsigned int	0~(2³²-1)
unsigned short	0~(2¹⁶-1)
unsigned long	0~(2³²-1)
unsigned long long	0~(2⁶⁴-1)

2. 引例

首先来看两段程序

程序 1

#include <stdio.h>
int main()
{
   unsigned char a = 255;
   char b = 255;
   printf("%d %u\n",a,a);
   printf("%d %u\n",b,b);
   return 0;
}

程序 2

#include <stdio.h>
int main()
{
   unsigned char a = -1;
   char b = -1;
   printf("%d %u\n",a,a);
   printf("%d %u\n",b,b);
   return 0;
}

这两段程序的运行结果是一样的，如下图所示：

在这里插入图片描述
下面将会详细分析这两段程序

2. 分析过程

2.1 程序 1

我们观察程序 1 的定义部分：

unsigned char a = 255;
char b = 255;

这里定义了两个变量无符号字符 a 和有符号字符 b，并且同时赋予了初值 255，我们需要注意的是使用 unsigned char 的数据范围是0~255，而 char 的数据范围是 -128~127，255 对于 char 来说已经超出了他的范围，255 （这里其实我也不是很清楚，到底有没有符号位，如果有符号位那就是 9 位，但是最高位为 0 所以发生截断也只存储了8位下来，如果没有符号位那就正好是存储了 8 位）对应的补码为：1111 1111，下面我们来看看它在内存中的存储情况

	1	1	1	1	1	1	1	1
unsigned char	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位
char	符号位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位

这就是 255 存储在不同变量中的内存情况，可以看到实际存储的二进制是一样的
我们再来查看一下输出的部分

 printf("%d %u\n",a,a);
 printf("%d %u\n",b,b);

这两行是分别将变量 a、b 先以有符号整数的形式输出，然后再以无符号整数的形式输出
对于变量 a 来说，255 的存储是正常的，所以可以正常的输出两个 255，这从结果上来看也是如此
对于变量 b 来说，255 的存储是异常的，准确来说发生了溢出。在使用有符号整数的形式输出时等于 -1，而使用无符号整数的形式输出时等于 4294967295，那么为什么会输出这两个奇怪的数字呢？
根据 C 语言的规范，发生溢出时，对于有符号类型的溢出，结果是未定义的。因此，编译器的行为在这种情况下是不确定的。
首先来看有符号整数的形式输出时，255 存储在内存的二进制为：1111 1111，以符号整数的形式输出时最高位识别为符号位，也即是负数，后面的数值位采用的是补码形式表示，换为原码后就是表示的十进制的 1，连起来就是 -1
在使用 %u 格式化符号打印 b 时，它将被解释为一个很大的无符号整数，以 32 位系统为例，等于 4294967295，而 4294967295 实际上就是 2³²-1，而将 b 赋值为 254，就会输出 2³²-2，他们存在着一一对应的关系

2.2 程序 2

我们观察程序 2 的定义部分：

unsigned char a = -1;
char b = -1;

这里定义了两个变量无符号字符 a 和有符号字符 b，并且同时赋予了初值 -1，我们需要注意的是使用 unsigned char 的数据范围是0~255，而 char 的数据范围是 -128~127，-1 对于 unsigned char 来说已经超出了他的范围，-1 （最高位为符号位）对应的补码为：1111 1111，下面我们来看看它在内存中的存储情况

	1	1	1	1	1	1	1	1
unsigned char	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位
char	符号位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位	数值位

这就是 -1 存储在不同变量中的内存情况，可以看到实际存储的二进制是一样的
我们再来查看一下输出的部分

 printf("%d %u\n",a,a);
 printf("%d %u\n",b,b);

这两行是分别将变量 a、b 先以有符号整数的形式输出，然后再以无符号整数的形式输出
对于变量 a 来说，-1 的存储是不正常的，但是由于存储的二进制是 1111 1111 于是无论是使用 %d 还是 %u 输出它都被解释为无符号整数 255
对于变量 b 来说，-1 的存储是正常的，但是使用无符号整数的形式输出时却等于 4294967295，这实际上是发生了溢出。
使用无符号整数的形式打印有符号的负整数时，它被解释为一个很大的无符号整数，以 32 位系统为例，等于 4294967295，而 4294967295 实际上就是 2³²-1，如果给 b 赋值为 -2，那么打印出的值就是 2³²-2，他们存在着一一对应的关系