将有符号转换为无符号时，C 编译器能否更改位表示？

Question

是否有可能将 int32_t 显式转换为 uint32_t，以改变值的位表示？

例如，假设我有以下 union :

typedef union {
    int32_t signed_val;
    uint32_t unsigned_val;
} signed_unsigned_t;

规范是否保证这些代码段具有相同的行为？

uint32_t reinterpret_signed_as_unsigned(int32_t input) {
    return (uint32_t) input;
}

和

uint32_t reinterpret_signed_as_unsigned(int32_t input) {
    signed_unsigned_t converter;
    converter.signed_val = input;
    return converter.unsigned_val;
}

我在这里考虑 C99。我见过几个类似的问题，但他们似乎都在讨论 C++，而不是 C。

Answer 1

将有符号整数类型转换为相同宽度的无符号整数类型可以改变表示形式，前提是您可以找到具有符号大小或补码符号表示形式的机器。但是类型 int32_t 和 uint32_t 保证是二进制补码表示，因此在那种特定情况下，表示不能改变。

将有符号整数转换为无符号整数在标准第 6.3.1.3 节中有明确定义。相关算法是第二段:

1. When a value with integer type is converted to another integer type other than _Bool, if the value can be represented by the new type, it is unchanged.
2. Otherwise, if the new type is unsigned, the value is converted by repeatedly adding or subtracting one more than the maximum value that can be represented in the new type until the value is in the range of the new type.
3. ...

因此，如果负数存储在 2 的补码中，则结果实际上必须是逐位复制的结果。符合要求的实现允许使用符号幅度或补码；在这两种情况下，负整数的表示都必须修改为转换为无符号。

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在评论中总结了一段冗长而有趣的讨论:

• 在 OP 中使用 int32_t 和 uint32_t 的精确示例中，表示必须相等如果程序编译 ，因为 C99 要求 int32_t 和 uint32_t 的长度正好是 32 位且没有填充，并且要求 int32_t 使用 2 的补码表示。但是，它并不要求这些类型存在；一个补码实现可以简单地不定义 int32_t，并且仍然符合。

• 我对类型双关的解释低于水平规则。 @R .. 向我们指出了 Defect Report从 2004 年开始，这似乎表明类型双关是 OK 或触发陷阱，这比未定义的行为更接近于实现定义的行为。另一方面，该 DR 的建议解决方案似乎不在 C11 文档中，该文档说 (6.2.6.1(5)):

Certain object representations need not represent a value of the object type. If the stored value of an object has such a representation and is read by an lvalue expression that does not have character type, the behavior is undefined.

在我看来，如果其中一种参与类型具有陷阱表示，则类型双关是未定义的行为(因此如果阅读类型没有陷阱，则不是未定义的行为表示)。另一方面，没有类型需要有陷阱表示，只有少数类型被禁止有陷阱表示:char 和 union 类型——但不是 union 类型——以及实现的 [u]int*K_t 类型。

我之前关于类型双关的声明如下:

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存储双关 union 具有未定义的行为。但是在不调用 lagartos voladores 的情况下，如果某个值以无符号形式存储然后以带符号形式访问，则符号幅度或补码机器可能会抛出硬件异常。

ones-complement 和 sign-magnitude 都有两种可能的 0 表示形式，一种表示每个流行的符号位。带负号位的，“负零”，允许作为“陷阱值”；因此，访问作为有符号整数的值(甚至只是复制它)可能会触发陷阱。

虽然 C 编译器有权禁止陷阱，比如通过使用 memcpy 或未签名的操作码复制值，但它不太可能这样做，因为这会让知道她的程序正在运行的程序员感到惊讶在带有负零陷阱的机器上，并期望陷阱在非法值的情况下触发。