C语言unsigned与signed使用辨析

一些说明

操作系统： windows xp x32
编译器：VC++ 6.0
测试只针对整型变量，因为浮点型变量的IEEE存储方式本身就包含了符号位。

使用场景

定义一个整型变量x;，如果我们会在x中存储有符号数，则定义(signed) int x；(signed可以省略），如果只会存储无符号数则定义为unsigned int x;。
很多书上都是这么写：

有符号int取值范围：-2,147,483,648~2,147,483,647‬
无符号int取值范围：0~4,294,967,295

Q1：unsigned修饰的类型只能存储无符号数，signed修饰的类型只能存储有符号数？

口说无凭，还是以int类型为例，分别存储超过取值范围的数据到变量中

int x = 4294967295;
unsigned int y = -2147483648;

经VC 6.0编译通过，表明修饰符signed与unsigned并没有在编译器层面进行限制。

理解：unsigned修饰符并不影响int类型的宽度（4个字节），用4个字节肯定可以表示有符号数或无符号数取值范围内的任意一个数，所以这样存储是没有问题的。

那么如果printf()函数打印结果会怎么样?

图1 %d格式控制符输出

好的，问题又来了，有符号数打印结果是-1似乎可以让人信服，为什么无符号数打印结果是负数？先换个思路，可能是格式控制符的问题，这里我们用的是%d，那么如果换成专门打印无符号数的%u会怎么样？

图2 %u格式控制符输出

此时变量y的打印结果似乎正常了，但是变量x的打印结果又开始扑朔迷离。根据实践得出的结论是：当使用函数printf()打印时，格式控制符告诉编译器按什么数输出，%d表示按十进制有符号数输出，%u表示按十进制无符号数输出
有了以上结论，输出的怪异现象就很好解释了。在使用printf()函数打印输出时，使用%d还是%u是由程序员决定的，也就是说程序员决定了该数按什么规则处理输出。
两张截图输出结果解释：

图1中按十进制有符号数输出x和y，x=4294967295转换为16进制就是0xFFFFFFFF，对应有符号数-1，所以x输出-1；y = -2147483648本身就是有符号数中的最小的负数，所以直接输出。
图2中按十进制无符号数输出x和y，x=4294967295是无符号数中最大的数，直接输出；y = -2147483648转换为正数就是2147483648（这里涉及到补码相关知识）。

Q2：基于以上结论，编译器并不对signed、unsigned修饰的变量取值进行限定，那么它们有什么用途？

用途1 类型转换

在这之前先看两条汇编指令：MOVSX、MOVZX

 MOV AL,0FF ; AL=0FFMOVSX ECX,AL ; MOVSX中的S表示Sign

上述指令的意思是先将0FF赋值给寄存器AL，MOVSX ECX,AL就是将AL视作有符号数扩展到ECX,AL的最高位即为符号位，由于AL最高位为1，所以扩展后的前24位全为1，ECX=0xFFFFFFFF

 MOV AL,0FF ; AL=0FFMOVZX ECX,AL ; MOVZX中的Z表示Zero

上述指令的意思是先将0FF赋值给寄存器AL，MOVZX ECX,AL就是将AL视做无符号数扩展到ECX中，所以扩展过程直接在扩展后的前24位添0，ECX=0x000000FF

看一个类型转换的例子

char x = 0xFF;
int y = x;
unsigned char z = 0xFF;
int k = z;

查看上述代码的反汇编得到以下结果

x转化到y进行了符号拓展，所以y=[ebp-8]=0xFFFFFFFF
z转化到k进行了类似于MOVZX的转换，所以z=[ebp-10h]=0x000000FF

小结1

进行类型转换时，只与原类型本身有关，如果原类型加了unsigned修饰符则为MOVZX扩展，如果没有加unsigned则为MOVSX扩展。加不加unsigned决定了扩展时填充的是0还是1。

用途2 表达式运算

在表达式中出现不同类型的变量时，运算过程会转换成4字节宽度进行运算（针对整型变量）

char x = 12;
short y = 13;
printf("%d\n",x+y);
if (x+y>20)
{printf(">20\n");
}

查看反汇编：

小结2

含有不同类型的表达式在运算时会扩展到4字节进行运算，在扩展时其实就遵循了小结1里的规则。
printf()在打印整型变量时，会先扩展成4字节。
读者可以尝试如下代码：

char x = -1;
printf("%u",x);
提示：如果x不扩展，打印结果应该为255

结论

修饰符unsigned与signed并不在编译器层面限制整数类型中存储的数值，signed修饰的类型也可以存储超过有符号数范围的正数，unsigned修饰的类型也可以存储负数。
用printf()函数输出时，程序员使用格式控制符%d或%u告诉了函数按有符号数还是无符号数打印数值。
类型转换（小转大）时，根据小类型的修饰符来进行扩展。
表达式运算时，小类型会根据修饰符先进行零扩展或有符号扩展。
为避免这些奇奇怪怪的问题，建议用unsigned修饰的整数类型用%u输出，没有用unsigned修饰的类型用%d输出。

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