從32位到64位操作系統的無符號整數

Question

該代碼段摘自一本Linux書。 如果不適合在此處發布代碼段，請告訴我。 我將其刪除。 謝謝。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
  char buf[30];
  char *p;
  int i;
  unsigned int index = 0;
  //unsigned long index = 0;
  printf("index-1 = %lx (sizeof %d)\n", index-1, sizeof(index-1));
  for(i = 'A'; i <= 'Z'; i++)
      buf[i - 'A'] = i;
  p  = &buf[1];
  printf("%c: buf=%p p=%p p[-1]=%p\n", p[index-1], buf, p, &p[index-1]);
  return 0;
}

在32位OS環境上：無論索引的數據類型是unsigned int還是unsigned long，此程序都可以正常工作。

在64位OS環境上：如果將index聲明為unsigned int，則同一程序將運行到“核心轉儲”中。 但是，如果僅將索引的數據類型從unsigned int更改為a）unsigned long或b）unsigned short，則該程序也可以正常工作。

書中的原因僅告訴我，由於非負數，64位將導致核心轉儲。 但是我完全不知道為什么unsigned long和unsigned short工作而unsigned int的原因。

我感到困惑的是

p + (0u -1) == p + UINT_MAX當索引為無符號整數時。

但，

p + (0ul - 1) == p[-1]當索引為無符號長p + (0ul - 1) == p[-1]時。

我被困在這里。

如果有人可以幫助您詳細說明，我們將不勝感激！

謝謝。

這是我的32位上的一些結果（RHEL5.10 / gcc版本4.1.2 20080704）

和64位計算機（RHEL6.3 / gcc版本4.4.6 20120305）

我不確定gcc版本在這里是否有任何區別。 因此，我也粘貼了信息。

在32位上：

我嘗試了兩個更改：

1）將unsigned int index = 0修改為unsigned short index = 0 。

2）將unsigned int index = 0修改為unsigned char index = 0 。

該程序可以正常運行。

index-1 = ffffffff (sizeof 4)

A: buf=0xbfbdd5da p=0xbfbdd5db p[-1]=0xbfbdd5da

似乎由於-1，索引的數據類型將提升為4個字節。

在64位上：

我嘗試了三個更改：

1）將unsigned int index = 0修改為unsigned char index = 0 。

  It works!

index-1 = ffffffff (sizeof 4)

A: buf=0x7fffef304ae0 p=0x7fffef304ae1 p[-1]=0x7fffef304ae0

2）將unsigned int index = 0修改為unsigned short index = 0 。

 It works!

index-1 = ffffffff (sizeof 4)

A: buf=0x7fff48233170 p=0x7fff48233171 p[-1]=0x7fff48233170

3）將unsigned int index = 0修改為unsigned long index = 0 。

 It works!

index-1 = ffffffff (sizeof 8)

A: buf=0x7fffb81d6c20 p=0x7fffb81d6c21 p[-1]=0x7fffb81d6c20

但只有

unsigned int index = 0在最后一個printf處運行到核心轉儲中。

index-1 = ffffffff (sizeof 4)

Segmentation fault (core dumped)

Answer 1

不要騙編譯器！

將printf傳遞給需要long int （ %ld ）的int是未定義的行為。
（創建指向任何有效對象外部（而不是僅在一個對象之后）的指針也是UB ...）

更正格式說明符和指針算法（在特殊情況下包括索引編制），一切正常。

_{UB包括“按預期方式運行”以及“災難性故障”。}

順便說一句：如果您禮貌地向編譯器詢問所有警告，它將警告您。 使用-Wall -Wextra -pedantic或類似方法。

Answer 2

另一個問題是代碼在您的printf() ：

  printf("index-1 = %lx (sizeof %d)\n", index-1, sizeof(index-1));

讓我們簡化一下：

int i = 100;
print("%lx", i-1);

您告訴printf的long但實際上您正在發送int 。 clang確實會告訴您當前的警告（我認為gcc也應該吐出正確的警告）。 看到：

test1.c:6:19: warning: format specifies type 'unsigned long' but the argument has type 'int' [-Wformat]
printf("%lx", i - 100);
        ~~~   ^~~~~~~
        %x   
1 warning generated.

解決方案很簡單：您需要將long傳遞給printf或告訴printf打印int ：

printf("%lx", (long)(i-100) );
printf("%x", i-100);

您在32bit上運氣不錯，您的應用程序沒有崩潰。 將其移植到64位后，您的代碼中發現了一個錯誤，現在您可以對其進行修復。

Answer 3

對於無符號值，總是按照環繞方式定義算術。 例如(unsigned)-1與UINT_MAX相同。 所以像

p + (0u-1)

相當於

p + UINT_MAX

（ &p[0u-1]等同於&*(p + (0u-1))和p + (0u-1) ）。

如果我們將指針替換為無符號整數類型，也許這更容易理解。 考慮：

uint32_t p32; // say, this is a 32-bit "pointer"
uint64_t p64; // a 64-bit "pointer"

假設short ， int和long分別為16、32和64位（在同一行上的條目相等）：

p32 + (unsigned short)-1    p32 + USHRT_MAX     p32 + (UINT_MAX>>16)
p32 + (0u-1)                p32 + UINT_MAX      p32 - 1
p32 + (0ul-1)               p32 + ULONG_MAX     p32 + UINT_MAX          p32 - 1

p64 + (0u-1)                p64 + UINT_MAX
p64 + (0ul-1)               p64 + ULONG_MAX     p64 - 1

您始終可以用最大值+ 1取模的等價數來替換無符號類型的加，減和乘操作數。例如，

-1☰ffffffff _十六進制 mod 2 ³²

（ _十六進制 ffffffff為2 ³² -1或UINT_MAX ），以及

ffffffffffffffff _十六進制 ☰ffffffff _十六進制 mod 2 ³²

（對於32位無符號類型，您始終可以將其截斷為最低有效的8個十六進制數字）。

您的示例：

32位

• unsigned short index = 0;

在index - 1 ，索引升為int 。 結果具有int類型和值-1（為負）。 與unsigned char相同。

64位

• unsigned char index = 0;
• unsigned short index = 0;

與32位相同。 index提升為int ， index - 1為負。

• unsigned long index = 0;

輸出

index-1 = ffffffff (sizeof 8)

很奇怪，這是%lx唯一正確用法，但看起來已經用%x打印（預期為4個字節）； 在我的64位計算機（具有64位long ）和%lx我得到：

index-1 = ffffffffffffffff (sizeof 8)

ffffffffffffffff _十六進制是-1模2 ⁶⁴ 。

• unsigned index = 0;

一個int不能持有unsigned int可以擁有的任何值，因此在index - 1什么都沒有提升為int ，結果的類型為unsigned int且值為-1（這是肯定的 ，與UINT_MAX或ffffffff _hex相同，因為該類型為unsigned ）。 對於32位地址，添加此值與減去1相同：

    bfbdd5db            bfbdd5db
+   ffffffff          -        1
=  1bfbdd5da
=   bfbdd5da          = bfbdd5da

（請注意環繞/截斷。）但是，對於64位地址：

    00007fff b81d6c21
+            ffffffff
=   00008000 b81d6c20

沒有回繞。 這試圖訪問無效的地址，因此您會遇到段錯誤。

也許可以在Wikipedia上查看2的補碼 。

---

在我的64位Linux上，使用指定符來期望32位值同時傳遞64位類型（反之亦然）似乎“可行”，只能讀取32個最低有效位。 但是請使用正確的。 lx期望一個unsigned long ，一個未修改的x一個unsigned int ， hx一個unsigned short （由於默認的參數提升 ，當傳遞給printf時， unsigned short被提升為int （作為變量參數傳遞））。 size_t的長度修飾符為z ，如%zu ：

printf("index-1 = %lx (sizeof %zu)\n", (unsigned long)(index-1), sizeof(index-1));

（到unsigned long的轉換不會更改unsigned int ， unsigned short或unsigned char表達式的值。）

sizeof(index-1)也可以寫為sizeof(+index) ，對表達式大小的唯一影響是通常的算術轉換，也由一元+觸發。