Смотрите, в чем дело. Эта программа содержит неопределенное поведение из-за несоответствия спецификаторов формата и фактических аргументов в вызове функции printf
. Стандарт не налагает никаких ограничений на поведение программы, содержащей неопределенное поведение. Однако мы можем по-рассуждать, почему в вашем конкретном случае программа выводит -13
.
unsigned int a;
a = -3;
Оператор =
называется simple assignment operator. Вот, что происходит в строке с присваиванием:
Тип assignment expression (т. е. всего выражения a = -3
) является типом выражения с левой стороны (т. е. типом a
— unsigned int
).
Выражение справа преобразуется в тип assignment expression и затем замещает значение в объекте, на который указывает операнд слева (т. е. a
).
Другими словами выражение справа типа int
неявно преобразуется в тип unsigned int
. По правилам значение конвертируется с помощью добавления к нему UINT_MAX + 1
1, 2, согласно § 6.3.1.3 / 23.
Т. е. в переменную a
никогда не попадет значение -3
типа int
, оно будет неявно преобразовано в тип unsigned int
перед присваиванием. А вот что получится в результате этого неявного преобразование зависит от значения UINT_MAX
, которое само уже зависит от реализации. Другими словами, мы можем считать, что в a
сейчас хранится -3 + 1 + UINT_MAX
.
Далее — выражение a - 10
. Здесь имеют место usual arithmetic conversions (§ 6.3.1.8), в ходе которых операнд 10
типа signed int
преобразуется в unsigned int
. Путем несложных подсчетов можно выяснить, что в итоге функции передается значение (-3 + 1 + UINT_MAX) - 10
4.
Далее. При вызове функции с переменным числом аргументов (каковой и является printf
) происходит процесс, который называется default argument promotions (§ 6.5.2.2 / 6), при котором каждый аргумент проходит преобразование в некоторый тип и только затем, в преобразованном виде, передается на вход функции. Согласно правилам таких преобразований аргумент a
в данном случае не будет преобразован ни в какой другой тип, т. е. останется типа unsigned int
.
Здесь возникает проблема: функция printf
ожидает на входе тип int
(потому что мы указали спецификатор %d
в формате), но мы её на вход передаем тип unsigned int
. Все, что произойдет далее зависит от того, как сложатся звезды как реализована функция printf
.
Можем сделать некоторые предположения. Пусть UINT_MAX
равно 4294967295
и на нашей платформе используется two's complement. Тогда в printf
передается значение (-3 + 1 + UINT_MAX) - 10
, что равно 4294967283
. Объектное представление беззнаковых целых в C — это просто их двоичная запись. В данном случае — это 4 байта 0xFFFFFFF3
. Если эти 4 байта интерпретировать как int
в two's complement (что и вынуждена делать функция printf
в нашем примере), то получится как раз -13
.
1 UINT_MAX
— это в случае unsigned int
.
2 На этом, кстати, основан трюк с получением значения UINT_MAX
: unsigned int a = -1;
.
3 Все ссылки в данном ответе предполагают рабочий черновик стандарта ISO/IEC 9899:202x (E) от 7-го июня 2019 года.
4 Как правильно заметил @wololo в комментариях, передается на самом деле (-3 + 1 + UINT_MAX) + (-10 + 1 + UINT_MAX)
, т. к. (int) -10
тоже подвергается преобразованию в unsigned int
. На результат этот не повлияет и для простоты вычислений закроем глаза на этот нюанс.