В стандарте языка неоднократно упоминается, что операции с беззнаковыми целыми выполняются по модулю 2^n
, где n
- количество бит, участвующих в представлении значения беззнакового целого.
Пусть есть такой код:
unsigned char a = 1;
a = -a;
И, пусть unsigned char
восьмибитный, а int
шестнадцатибитный.
Я уже было подумал, что выражение -a
либо сразу преобразуется в значение типа unsigned char
, равное 255
; либо a
расширится до int
, затем этот int
примет значение -1
и, наконец, -1
преобразуется в значение типа unsigned char
, равное 255
. Однако, как оказалось, в стандарте указан особый, довольно странный способ вычисления унарного минуса для беззнаковых величин.
Вот цитата пункта 8.3.1/8 из этого документа:
The operand of the unary - operator shall have arithmetic or unscoped enumeration type and the result is the negation of its operand. Integral promotion is performed on integral or enumeration operands. The negative of an unsigned quantity is computed by subtracting its value from
2^n
, wheren
is the number of bits in the promoted operand. The type of the result is the type of the promoted operand.
Если я правильно понял написанное, то значение выражения -a
в приведённом выше примере равняется величине 2^n - 1
, где n
равно количеству бит в расширенном операнде. Т.е. 2^n - 1 == 2^16 - 1 == 65536 - 1 == 65535
. Но данное значение не может быть представлено в шестнадцатибитном int
, а значит попытка вычислить -a
приводит к неопределённому поведению.
Вопрос состоит в следующем: может ли унарный минус "работать" так, как написано выше? И если да, то почему стандарт определяет такое странное поведение унарного минуса для беззнаковых величин?
Странно ещё то, что если написать так:
unsigned char a = 1;
a = 0 - a;
то это вроде как не может привести к неопределённому поведению. Так как 0
имеет тип int
, переменная a
расширится до int
, вычислится разность 0-1
, и получившееся в результате значение типа int
благополучно усечётся по модулю 256
до значения 255
.
-a
беззнакового типа? Вероятно, все вычисления в документе касаются представления целого в дополнительном коде. То естьN
здесь равно 8 для вашего случая - это бит за пределамиchar
:2^8 = 256
. Результат вычисления не требует дополнительной памяти, так как после вычитания этот дополнительный бит отбрасывается и дляa=1
получаем255
, а для0
-0
-a
, приводит к попытке поместить значение 65535 в шестнадцатибитныйint
, и это значение не помещается в диапазон допустимых значений этого типа. А такая ситуация и есть неопределённое поведение, согласно пункту 8/4.unsigned char
будет взят остаток от деления на 256. Можете проверить на таком примереint b = 0; char &a = *(char*)&b; a = 1024;
обе переменные останутся нулями лишних байт не будет. По поводу расширенного операнда, тут всё же речь идёт о дополнении числа (виртуальным) старшим битом (не байтом).unsigned char
к типуint
. Я понимаю, что на практике компилятор вовсе не обязан преобразовывать один тип к другому, и вообще он может как-нибудь по хитрому всё это дело вычислять. Главное, чтобы эффект от всех его вычислений был таким, как если бы он делал так, как написано в стандарте, а стандарт допускает(?) довольно странный результат вычислений.