char、signed char、unsigned char的区别总结。

我们知道，在C语言中char型占一个字节的存储空间，一个字节通常是8个bit。如果这8个bit按无符号整数来解释，取值范围是0~255，如果按有符号整数来解释，采用2's Complement表示法，取值范围是-128~127。C语言规定了signed和unsigned两个关键字，unsigned
char型表示无符号数，signed char型表示有符号数。

那么以前我们常用的不带signed或unsigned关键字的char型是无符号数还是有符号数呢？C标准规定这是Implementation Defined，编译器可以定义char型是无符号的，也可以定义char型是有符号的，在该编译器所对应的体系结构上哪种实现效率高就可以采用哪种实现，x86平台的gcc定义char型是有符号的。这也是C标准的Rationale之一：优先考虑效率，而可移植性尚在其次。这就要求程序员非常清楚这些规则，如果你要写可移植的代码，就必须清楚哪些写法是不可移植的，应该避免使用。另一方面，写不可移植的代码有时候也是必要的，比如Linux内核代码使用了很多只有gcc支
持的语法特性以得到最佳的执行效率，在写这些代码的时候就没打算用别的编译器编译，也就没考虑可移植性的问题。如果要写不可移植的代码，你也必须清楚代码 中的哪些部分是不可移植的，以及为什么要这样写，如果不是为了效率，一般来说就没有理由故意写不可移植的代码。从现在开始，我们会接触到很多 Implementation Defined的特性，C语言与平台和编译器是密不可分的，离开了具体的平台和编译器讨论C语言，就只能讨论到本书第一部分的程度了。注意，ASCII码 的取值范围是0~127，所以不管char型是有符号的还是无符号的，存一个ASCII码都没有问题，一般来说，如果用char型存ASCII码字符，就不必明确写是signed还是unsigned，如果用char型表示8位的整数，为了可移植性就必须写明是signed还是unsigned。

除了char型之外，整型还包括short int（或者简写为short）、int、long int（或者简写为long）、long
long int（或者简写为long long）等几种^[25]，这些类型都可以加上signed或unsigned关 键字表示有符号或无符号数。其实，对于有符号数在计算机中的表示是Sign and Magnitude、1's Complement还是2's Complement，C标准也没有明确规定，也是Implementation
Defined。大多数体系结构都采用2's Complement表示法，x86平台也是如此，从现在开始我们只讨论2's Complement表示法的情况。还有一点要注意，除了char型以外的这些类型如果不明确写signed或unsigned关键字都表示signed，这一点是C标准明确规定的，不是Implementation
Defined。

除了char型在C标准中明确规定占一个字节之外，其它整型占几个字节都是Implementation Defined。通常的编译器实现遵守ILP32或LP64规范，如下表所示。

ILP32这个缩写的意思是int（I）、long（L）和指针（P）类型都占32位，通常32位计算机的C编译器采用这种规范，x86平台的gcc也是如此。LP64是指long（L）和指针占64位，通常64位计算机的C编译器采用这种规范。指针类型的长度总是和计算机的位数一致，至于什么是计算机的位数，指针又是一种什么样的类型，我们到第 17 章计算机体系结构基础和第 23 章指针再分别详细解释。从现在开始本书做以下约定：在以后的陈述中，缺省平台是x86/Linux/gcc，遵循ILP32，并且char是有符号的，我不会每次都加以说明，但说到其它平台时我会明确指出是什么平台。

在第 2 节 “常量”讲过C语言的常量有整数常量、字符常量、枚举常量和浮点数常量四种，其实字符常量和枚举常量的类型都是int型，因此前三种常量的类型都属于整型。整数常量有很多种，不全是int型的，下面我们详细讨论整数常量。

以前我们只用到十进制的整数常量，其实在C语言中也可以用八进制和十六进制的整数常量^[26]。八进制整数常量以0开头，后面的数字只能是0~7，例如022，因此十进制的整数常量就不能以0开头了，否则无法和八进制区分。十六进制整数常量以0x或0X开头，后面的数字可以是0~9、a~f和A~F。在第 6 节 “字符类型与字符编码”讲过一种转义序列，以\或\x加八进制或十六进制数字表示，这种表示方式相当于把八进制和十六进制整数常量开头的0替换成\了。

整数常量还可以在末尾加u或U表示“unsigned”，加l或L表示“long”，加ll或LL表示“long long”，例如0x1234U，98765ULL等。但事实上u、l、ll这几种后缀和上面讲的unsigned、long、long
long关键字并不是一一对应的。这个对应关系比较复杂，准确的描述如下表所示（出自[C99]条款6.4.4.1）。

给定一个整数常量，比如1234U，那么它应该属于“u或U”这一行的“十进制常量”这一列，这个表格单元中列了三种类型unsigned int、unsigned long int、unsigned long long int，从上到下找出第一个足够长的类型可以表示1234这个数，那么它就是这个整数常量的类型，如果int是32位的那么unsigned
int就可以表示。

再比如0xffff0000，应该属于第一行“无”的第二列“八进制或十六进制常量”，这一列有六种类型int、unsigned int、long int、unsigned long int、long
long int、unsigned long long int，第一个类型int表示不了0xffff0000这么大的数，我们写这个十六进制常量是要表示一个正数，而它的MSB（第31位）是1，如果按有符号int类型来解释就成了负数了，第二个类型unsigned int可以表示这个数，所以这个十六进制常量的类型应该算unsigned
int。所以请注意，0x7fffffff和0xffff0000这两个常量虽然看起来差不多，但前者是int型，而后者是unsigned int型。

讲一个有意思的问题。我们知道x86平台上int的取值范围是-2147483648~2147483647，那么用printf("%d\n", -2147483648);打印int类型的下界有没有问题呢？如果用gcc main.c -std=c99编译会有警告信息：warning:
format ‘%d’ expects type ‘int’, but argument 2 has type ‘long long int’。这是因为，虽然-2147483648这个数值能够用int型表示，但在C语言中却没法写出对应这个数值的int型常量，C编译器会把它当成一个整数常量2147483648和一个负号运算符组成的表达式，而整数常量2147483648已经超过了int型的取值范围，在x86平台上int和long的取值范围相同，所以这个常量也超过了long型的取值范围，根据上表第一行“无”的第一列十进制常量，这个整数常量应该算long
long型的，前面再加个负号组成的表达式仍然是long long型，而printf的%d转换说明要求后面的参数是int型，所以编译器报警告。之所以编译命令要加-std=c99选项是因为C99以前对于整数常量的类型规定和上表有一些出入，即使不加这个选项也会报警告，但警告信息不准确，读者可以试试。如果改成printf("%d\n",
-2147483647-1);编译器就不会报警告了，-号运算符的两个操作数-2147483647和1都是int型，计算结果也应该是int型，并且它的值也没有超出int型的取值范围；或者改成printf("%lld\n", -2147483648);也可以，转换说明%lld告诉printf后面的参数是long
long型，有些转换说明格式目前还没讲到，详见第 2.9 节 “格式化I/O函数”。

怎么样，整数常量没有你原来想的那么简单吧。再看一个不简单的问题。long long i = 1234567890 * 1234567890;编译时会有警告信息：warning: integer overflow in expression。1234567890是int型，两个int型相乘的表达式仍然是int型，而乘积已经超过int型的取值范围了，因此提示计算结果溢出。如果改成long
long i = 1234567890LL * 1234567890;，其中一个常量是long long型，另一个常量也会先转换成long long型再做乘法运算，两数相乘的表达式也是long long型，编译器就不会报警告了。有关类型转换的规则将在第 3 节 “类型转换”详细介绍。

在一个表达式中，凡是可以使用int或unsigned int类型做右值的地方也都可以使用有符号或无符号的char型、short型和Bit-field。如果原始类型的取值范围都能用int型表示，则其类型被提升为int，如果原始类型的取值范围用int型表示不了，则提升为unsigned
int型，这称为Integer Promotion。做Integer Promotion只影响上述几种类型的值，对其它类型无影响。C99规定Integer Promotion适用于以下几种情况：

1、如果一个函数的形参类型未知，例如使用了Old Style C风格的函数声明（详见第 2 节 “自定义函数”），或者函数的参数列表中有...，那么调用函数时要对相应的实参做Integer Promotion，此外，相应的实参如果是float型的也要被提升为double型，这条规则称为Default Argument Promotion。我们知道printf的参数列表中有...，除了第一个形参之外，其它形参的类型都是未知的，比如有这样的代码：

char ch = 'A';
printf("%c", ch);

ch要被提升为int型之后再传给printf。

2、算术运算中的类型转换。有符号或无符号的char型、short型和Bit-field在做算术运算之前首先要做Integer Promotion，然后才能参与计算。例如：

unsigned char c1 = 255, c2 = 2;
int n = c1 + c2;

计算表达式c1 + c2的过程其实是先把c1和c2提升为int型然后再相加（unsigned char的取值范围是0~255，完全可以用int表示，所以提升为int就可以了，不需要提升为unsigned
int），整个表达式的值也是int型，最后的结果是257。假如没有这个提升的过程，c1 + c2就溢出了，溢出会得到什么结果是Undefined，在大多数平台上会把进位截掉，得到的结果应该是1。

除了+号之外还有哪些运算符在计算之前需要做Integer Promotion呢？我们在下一小节先介绍Usual Arithmetic Conversion规则，然后再解答这个问题。

两个算术类型的操作数做算术运算，比如a + b，如果两边操作数的类型不同，编译器会自动做类型转换，使两边类型相同之后才做运算，这称为Usual Arithmetic Conversion。转换规则如下：

可 见有符号和无符号整数的转换规则是十分复杂的，虽然这是有明确规定的，不属于阴暗角落，但为了程序的可读性不应该依赖这些规则来写代码。我讲这些规则，不 是为了让你用，而是为了让你了解有符号数和无符号数混用会非常麻烦，从而避免触及这些规则，并且在程序出错时记得往这上面找原因。所以这些规则不需要牢 记，但要知道有这么回事，以便在用到的时候能找到我书上的这一段。

到目前为止我们学过的+ - * / % > < >= <= == !=运算符都需要做Usual Arithmetic Conversion，因为都要求两边操作数的类型一致，在下一章会介绍几种新的运算符也需要做Usual Arithmetic Conversion。单目运算符+ - ~只有一个操作数，移位运算符<< >>两边的操作数类型不要求一致，这些运算不需要做Usual Arithmetic Conversion，但也需要做Integer Promotion，运算符~ << >>将在下一章介绍。

如果赋值或初始化时等号两边的类型不相同，则编译器会把等号右边的类型转换成等号左边的类型再做赋值。例如int c = 3.14;，编译器会把右边的double型转成int型再赋给变量c。

我们知道，函数调用传参的过程相当于定义形参并且用实参对其做初始化，函数返回的过程相当于定义一个临时变量并且用return的表达式对其做初始化，所以由赋值产生的类型转换也适用于这两种情况。例如一个函数的原型是int foo(int, int);，则调用foo(3.1, 4.2)时会自动把两个double型的实参转成int型赋给形参，如果这个函数定义中有返回语句return
1.2;，则返回值1.2会自动转成int型再返回。

在函数调用和返回过程中发生的类型转换往往容易被忽视，因为函数原型和函数调用并没有写在一起。例如char c = getchar();，看到这一句往往会想当然地认为getchar的返回值是char型，而事实上getchar的返回值是int型，这样赋值会引起类型转换，可能产生Bug，我们在第 2.5 节
“以字节为单位的I/O函数”详细讨论这个问题。

以上三种情况通称为隐式类型转换（Implicit Conversion，或者叫Coercion），编译器根据它自己的一套规则将一种类型自动转换成另一种类型。除此之外，程序员也可以通过类型转换运算符（Cast Operator）自己规定某个表达式要转换成何种类型，这称为显式类型转换（Explicit Conversion）或强制类型转换（Type Cast）。例如计算表达式(double)3 + i，首先将整数3强制转换成double型（值为3.0），然后和整型变量i相加，这时适用Usual
Arithmetic Conversion规则，首先把i也转成double型，然后两者相加，最后整个表达式也是double型的。这里的(double)就是一个类型转换运算符，这种运算符由一个类型名套()括号组成，属于单目运算符，后面的3是这个运算符的操作数。注意操作数的类型必须是标量类型，转换之后的类型必须是标量类型或者void型。

以上几小节介绍了哪些情况下会发生类型转换，并且明确了每种情况下会把什么类型转成什么类型，本节介绍编译器如何处理任意两种类型之间的转换。现在要把一个M位的类型（值为X）转换成一个N位的类型，所有可能的情况如下表所示。

注意上表中的“X % 2^N”，我想表达的意思是“把X加上或者减去2^N的整数倍，使结果落入[0, 2^N-1]的范围内”， 当X是负数时运算结果也得是正数，即运算结果和除数同号而不是和被除数同号，这不同于C语言%运算的定义。写程序时不要故意用上表中的规则，尤其不要触碰 Implementation-defined和Undefined的情况，但程序出错时可以借助上表分析错误原因。

下面举几个例子说明上表的用法。比如把double型转换成short型，对应表中的“floating-point to signed or unsigned integer”，如果原值在(-32769.0, 32768.0)之间则截掉小数部分得到转换结果，否则产生溢出，结果是Undefined，例如对于short
s = 32768.4;这个语句gcc会报警告。

比如把int型转换成unsigned short型，对应表中的“signed integer to unsigned integer”，如果原值是正的，则把它除以2¹⁶取模，其实就是取它的低16位，如果原值是负的，则加上2¹⁶的整数倍，使结果落在[0, 65535]之间。

比如把int类型转换成short类型，对应表中的“signed integer to signed integer”，如果原值在[-32768, 32767]之间则值不变，否则产生溢出，结果是Implementation-defined，例如对于short s = -32769;这个语句gcc会报警告。

最后一个例子，把short型转换成int型，对应表中的“signed integer to signed integer”，转换之后应该值不变。那怎么维持值不变呢？是不是在高位补16个0就行了呢？如果原值是-1，十六进制表示就是ffff，要转成int型的-1需要变成ffffffff，因此需要在高位补16个1而不是16个0。换句话说，要维持值不变，在高位补1还是补0取决于原来的符号位，这称为符号扩展（Sign
Extension）。