1、簡單聊一聊

    今天為大家推薦一首周深的《大魚》，真的是上天賜予的嗓子，與這首歌曲真的絕配！如果上天再給我一次選擇的機(jī)會，我還是選擇當(dāng)一名程序員。

    好了，之前為大家寫了一篇<【典藏】別怪"浮點(diǎn)數(shù)"太坑（C語言版本）>，很多小伙伴反饋到希望作者也補(bǔ)充一些整形數(shù)相關(guān)的坑。仔細(xì)想想平時我們用整形數(shù)比浮點(diǎn)數(shù)多得多，而且整形數(shù)的細(xì)節(jié)還真不少，為了便于以后大家編碼等，這里作者根據(jù)自己的一些經(jīng)驗(yàn)記錄一下。

1、整形的存儲

1)說說數(shù)據(jù)的存儲 

    數(shù)據(jù)對于存儲器而言都是二進(jìn)制的0101...，也就是我們所說的機(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)把指針拿過來一起理解，可以把變量看成是地址固定不變的指針。

2)聊聊原碼、反碼、補(bǔ)碼 

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

原碼：

• 正數(shù):符號位為0，其他為正常二進(jìn)制。

• 負(fù)數(shù):符號位為1，其他為絕對值二進(jìn)制。

反碼：

• 正數(shù):與原碼一致。

• 負(fù)數(shù):符號位為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。

    對于整形數(shù)計算機(jī)上的存儲都是以補(bǔ)碼的形式進(jìn)行存儲，那么對于正數(shù)就按照正常的二進(jìn)制進(jìn)行存儲，而負(fù)數(shù)則對原碼進(jìn)行反碼+1存儲，在我們平時進(jìn)行仿真或者調(diào)試過程中用無符號輸出負(fù)數(shù)會有一個非常大的數(shù)據(jù)，其實(shí)這個數(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來進(jìn)行計算即可。同樣其他整形數(shù)據(jù)類型也是一樣的實(shí)現(xiàn)方式。

2、整形溢出問題

1)為什么用補(bǔ)碼存儲? 

    大家應(yīng)該都知道1 - 1 = 1 + (-1) = 0,那么計算機(jī)為了簡化運(yùn)算就把(-1)用另外一種方式存儲，這樣計算機(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)算都可以通過加法進(jìn)行表示。(有一種"道生一、一生二、二生三、三生萬物"的精妙)

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

2)數(shù)據(jù)溢出問題 

    這里我以char和unsigned char類型來進(jìn)行說明，對于其他整形數(shù)據(jù)同樣分析即可，首選我們來看看使用補(bǔ)碼以后的數(shù)據(jù)表示范圍問題，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:測量char類型數(shù)據(jù)溢出問題 
 5 * Author :(公眾號:最后一個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:最后一個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:

3)它來了?。?！ 

    提個幾個問，有符號char類型中的-128取相反數(shù)會獲得什么值?無符號取相反數(shù)又等于什么呢?不防敲個代碼實(shí)驗(yàn)下，代碼簡單直接上結(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。

3、算數(shù)轉(zhuǎn)化

1)算數(shù)轉(zhuǎn)化(前方高能)  

    首先我們來看一下一段簡單的代碼:(前方高能??！)

 1#include <stdio.h>
 2#include <stdlib.h>
 3/********************************************************
 4 * Fuction: 算數(shù)轉(zhuǎn)化測試
 5 * Author :(公眾號:最后一個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:最后一個bug\n"); 
20}

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

2)匯編來坐鎮(zhèn)  

    作者第一個接觸到這個問題的時候都懷疑人生了，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語句對應(yīng)的匯編cmp指令和jbe跳轉(zhuǎn)指令；其中jbe用于判斷無符號跳轉(zhuǎn)指令，那么會把EAX直接當(dāng)成無符號類型進(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。

3)算數(shù)轉(zhuǎn)化總結(jié) 

    我們這里所說的算數(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)會根據(jù)數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級進(jìn)行自動轉(zhuǎn)化。(大家可以參考下面的類型進(jìn)行對應(yīng)處理)

    原則:數(shù)據(jù)都是優(yōu)先轉(zhuǎn)化為長數(shù)據(jù)類型，浮點(diǎn)與整形優(yōu)先轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)運(yùn)算，無符號與有符號優(yōu)先轉(zhuǎn)化為無符號。

4、整形數(shù)據(jù)的提升

    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，而整形提升是對于短類型轉(zhuǎn)化為長類型進(jìn)行處理的一種方式，這個是必然的過程，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:最后一個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:最后一個bug\n"); 
15}

    最終輸出的結(jié)果:

解析一下：

    對于整形提升，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，計算完畢以后再轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的類型獲得最后的結(jié)果，對于char等等這些短數(shù)據(jù)類型在進(jìn)行運(yùn)算或者比較的過程中都會采用int類型進(jìn)行處理，如果有更加長的數(shù)據(jù)類型會優(yōu)先轉(zhuǎn)化為更長的數(shù)據(jù)類型。

5、最后小結(jié)

    估計大家看完以后都不敢隨便寫代碼了，其實(shí)不要慌，在編碼的過程中一定要對每個變量的范圍和變化都要了然如胸，在進(jìn)行運(yùn)算操作的時候最好是相同類型，切記最好不要將有符號和無符合混合使用，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:“最后一個bug”，一個為大家打造的技術(shù)知識提升基地。同時非常感謝各位小伙伴的支持，我們下期精彩見！

推薦好文  點(diǎn)擊藍(lán)色字體即可跳轉(zhuǎn)

【典藏】別怪"浮點(diǎn)數(shù)"太坑（C語言版本）

 【經(jīng)典】解析一個STM32在線升級實(shí)例(usart版本)

【典藏】深度剖析單片機(jī)程序的運(yùn)行(C程序版) 

【重磅】剖析MCU的IAP升級軟件設(shè)計(設(shè)計思路篇)

 【解惑】到底是"時間片"?還是"分時輪詢"?

GUI必備知識之“告別”亂碼（淺顯易懂）

【典藏】大佬們都在用的結(jié)構(gòu)體進(jìn)階小技巧

聽說因?yàn)榇a沒"對齊"程序就奔了?(深度剖析)

【典藏】自制小型GUI界面框架(設(shè)計思想篇)