C语言中有符号数和无符号数的问题
项目说明
    考虑下列代码， 这段代码试图计算数组a中所有元素的和， 其中元素的数量由参数length给出：
 /* WARNING: This is buggy code */
 float sum_elements(float a[ ], unsigned length){
     int i;
     float result = 0;
     for (i=0; i<=length-1; i++)
         result += a[i];
     return result;
 }


请分析这段程序，当参数length等于0时， 运行这段代码应该返回的值是多少？
运行这段代码，当参数length等于0时，实际会产生什么结果？
请解释你的实际运行的结果产生的原因。
修改代码以得出正确的结果。

项目报告
问题1：分析这段程序，当参数length等于0时， 运行这段代码应该返回的值是多少？
我们可以看一下该程序代码的流程图：



    很容易分析当length等于0时，for循环中i<=length-1条件不成立，循环体内的语句不会执行，该函数应该返回的result的初始值0。
问题2：运行这段代码，当参数length等于0时，实际会产生什么结果？
    我们在不同的编译器下运行了此段代码：
 #include <stdio.h>
 float sum_elements(float a[], unsigned length)
 {
     unsigned i;
 	 float result = 0;
 	 for (i = 0; i <=length-1; i++)
 		 result += a[i];
 	 return result;
 }

 int main()
 {
     float a[] = {1.7, 2.6, 4.1};
	 float ret = sum_elements(a, 0);
	 printf("%.lf", ret);
	 return 0;
 }

结果如下：

使用远古编译器Turbo C运行此程序，Compile时没有报错，Run时黑屏无结果，并显示 cpu speed max 100% cycles,Frameskip 0,Program TC。CPU占用100%。


使用Dev c++ GCC 4.8.1编译运行此程序，没有产生警告，进程停止，命令行显示Process exited with return value 3221225477。
使用Microsoft Visual Studio 2012/2017编译运行此程序，程序虽然运行成功，但并没有得到正确的运行结果，程序运行了几秒钟后在命令行上输出请按任意键继续的结果，并在控制台区报出警告：warning C4018: “<=”: 有符号/无符号不匹配。我们对float ret = sum_elements(a, 0);代码打断点进行程序调试，弹出提示框，显示0x011E14F3 处有未经处理的异常(位于 PBL.exe 中): 0xC0000005: 读取位置 0x0200000 时发生访问冲突。


使用中国大学MOOC浙江大学的网页编译器运行此程序，编译器报错：

Error:Memory space at 0x100004(object ‘*(a+1)’) is not initialized

Result += a[i];

问题3：请解释你的实际运行的结果产生的原因。
    经查阅资料知，C语言中在有符号类型和无符号类型数据之间测试相性时，编译器会隐性地将有符号的int类型升级为无符号的unsigned int类型。

    回到本题中，在执行语句i<=length-1时，因为length是unsigned int类型，所以参与运算的参数都被隐式地被强制转换为unsigned int类型。在主函数中，通过执行float ret = sum_elements(a, 0);语句，使得形参length=0，运算length-1 = 0-1 = -1，-1转换成 unsigned int 的结果是一个非常巨大的正整数的，这就是实际运行结果产生的原因。

    接着，我们来分析一下这个巨大的正整数，要知道整数在计算机中通常是以二进制补码的形式存在的，而-1的无符号补码（以32位为例）为0xFFFFFFFF，这是32位无符号整数能表示的最大值：232-1，即4294967296。因为232-1足够大，所以我们尝试将代码float ret = sum_elements(a, 0);中的0改为0xFFFFFFF在Microsoft Visual Studio 2012上进行程序调试运行，得到的结果和没有修改前的结果是一样的。

    所以我们得出结论，运行该程序报错或者得不到运行结果的原因是执行从0到0xFFFFFFFF的循环时，数组下标越界，内存读写异常，在vs 2012/2017等较新的编译器中，并没有出现错误，而Turbo c中没有检测机制，会输出了-NAN的运行结果，经过查阅是不可表示的值。


问题4：修改代码以得出正确的结果。
    通过分析代码错误的产生原因，经小组讨论，共得到4组代码：

代码1

// 把unsigned 修改成有符号数int
float sum_elements(float a[ ], int length)
{
   int i;
   float result = 0;
   for (i=0;i<=length-1;i++)
   	result +=a[i];
   return result;
}


代码2

// 提前判断length是否为0，如果是直接return result;
float sum_elements(float a[ ], unsigned length)
{
   int i;
   float result = 0;
   if(length <= 0)
       return  result;
   for (i=0;i<=length-1;i++)
   	   result +=a[i];
   return result;
}


代码3

//把 i<=length-1改成 i<length
float sum_elements(float a[ ], unsigned length)
{
   int i;
   float result = 0;
   for (i=0;i<length;i++)
       result +=a[i];
   return result;
}


代码4

// 使用强制类型转换 i<=(int)length-1
float sum_elements(float a[ ], unsigned length)
{
  int i;
  float result = 0;
  for (i=0;i<(int)length-1;i++)
      result +=a[i];
  return result;
}

    新人发文，欢迎大家批评指正！

调试方法描述：

1.进入windows下的DOSBOX虚拟机环境。

2.调用文本编辑程序EDIT建立汇编源文件（后缀名为.asm）。

3.用汇编程序ml对源文件汇编产生目标文件（后缀名为.obj）。

4.用连接程序link产生可执行文件（后缀名为.exe）。

5.执行程序。

6.查看列表文件（后缀名为.lst）。

7.使用调试软件windbg调试程序。

上机代码：

（文件ex1.asm):

code segment

assume cs:code

 

mov ax,32

mov bx,74

mov cx,23

 

sort: cmp ax,bx

jge X          ;如果ax大于等于bx就跟cx比较

xchg ax,bx

X:cmp ax,cx       ;如果ax大于cx

jge Y

xchg ax,cx

Y:int 21h

mov ax,4c00h

code ends

end sort

 

[cpp] view
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 print?


#include<stdio.h>  

void main()  

{  

 int l=-1;  

 unsigned int c=135;  

printf("%u\n",l+c);  

}  
这个的结果134，而不是我之前认为的很大的正数，实际上需要注意的是-1（0xffffffff）被提升为unsigned int后是一个差1就溢出的unsigned int，所以相加后结果是134。但是如果l=-10000，那么结果就真是一个很大的正数了，因为不涉及溢出了。
C语言中存在两种整数算术运算，有符号型和无符号型。无符号数运算：所有无符号数运算都是以2的n次方为模，（n是结果中的位数）。所以它不存在运算时的没有那种所谓的“溢出”，当它超过范围时，从零开始重新计数！当一个无符号数和有符号数计算的时候，有符号数会自动转化为无符号数参与运算！有符号数运算： 是可能发生“溢出”的，而且“溢出”的结果不固定。



     关于无符号数减去无符号数的用法错误：

if ( i - j >=0) 假如i，j为无符号数，这样写可能会引发错误，即当i小于j的时候，这个式子仍然成立，因为无符号数始终是大于等于零的。例： if ( strlen( a ) >= 10) 与 if (strlen ( b ) -10 >= 0) 这两条语句是不相等的 ，因为strlen函数返回的是无符号数类型。

2015年3月8日追加一点：今天看这个地方有些不明白在网上搜了一下资料发现，无符号数相减，如果被减数小于减数，那么结果会是一个非常大的无符号数，而不是一个想象中的有符号数。所以对于无符号数相减之前需要进行判断，最好做比较的时候使用 if ( strlen( a ) >= 10) 这种方式，而不要使用if (strlen ( b ) -10 >= 0) 这种方式。因为无符号数进行计算的结果还是无符号数；另外无符号数和有符号数计算时，有符号数会被强制转提升无符号数。

例如以下这个例子很有意思：





[cpp] view
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 print?


#include<stdio.h>   

int main()   

{   

unsigned int a=6;   

int b=-20;   

printf("%d\n",(a+b)>0);   

  

}   

这个小例子可以机器试一下。另外还有几道题不错我也附在最后。

需要注意一点，我在进行程序编写的时候发现一个小问题：



那么unsigned char与signed int相减呢？





[cpp] view
 plain copy


 print?


#include<stdio.h>  

void main()  

{  

 unsigned char a;  

 int b;  

 a=0;  

 b=2;  

 printf("X=%d\n",(a-b)>0);  

}  




   ANSI C规定在无符号整数和有符号整数之间进行强制类型转换时，位模式不应该改变。类型转换并未改变对象的位模式，改变的是位模式的解释方式。


    有符号数转换为无符号数时，负数转换为大的正数(可以理解为原值加上2的n次方)，而正数保持不变。



    无符号数转换为有符号数时，对于小的数将保持原值，对于大的数则转换为负数(可以理解为原值减去2的n次方)。




今晚在看C的时候突然想到如果把大于unsigned int的范围的数据赋予 该类型变量，printf出来会是什么样。





[cpp] view
 plain copy


 print?


void main()  

{  

  unsigned int a;  

  a=7000000000;  

 printf("a=%d\n",a);  

 printf("a=%u\n",a):  

}  


这两个结果是完全不一样的。




几个小例子：



题目一：

int a = -1;

unsigned int b = 1;

printf("%d", a > b);

结果输出:1

因为无符号数与有符号数比较时，要将有符号数转化为无符号数，再来比较。a转化为无符号数后就是0xFFFFFFFF，肯定大于b

题目二：

char a = -1;

unsigned char b = 1;

printf("%d", a > b);

结果输出:0

奇怪了，怎么会这样？这是因为两者被提升为int了，a提升为int就表示-1，b提升为int 就是1，前者小于后者。注意了这里不是像题目一里一样简单的把char转化为unsigned char了

题目三：

int a = -1;

unsigned char b = -1;

printf("%d\n", a < b);

结果输出是:1

原因在于要把b提升为int就是255当然大于-1了，unsigned char 先提升为int,送入int的低八位中，高位全部补零。

题目四：

char a = -1;

unsigned int b = -1;

printf("%d\n", a == b);

结果输出：1

原因是char类型被扩展为unsigned int后与b相等，同为0xFFFFFFFF

小于int的提升到int,int之后都是从signed -> unsigned

对于浮点数来说，浮点数（float，double）实际上都是有符号数，unsigned 和signed前缀不能加在float和double之上，当然就不存在有符号数根无符号数之间转化的问题了。


一定要记住如果需要使用有符号数时不要忘记强制转换

例题：下列给定程序中，函数fun的功能是：统计一个无符合整数中各位数字值为0的个数，通过形参传回主函数，并把该整数中各位上最大的数字值作为函数值返回。
例如。若输入无符号整数10080，则数字值为0的个数为3，各位上数字值最大的是8。

注意：不要改动main函数，不能增行或删行，也不能更改程序的结构。
代码如下：
#include<stdio.h>
int fun(unsigned m,int*z)
{
	int n=0,max=0,t;
	do
	{
		t=m%10;
		if(t==0)
			n++;
		if(max<t)
			max=t;
		m=m/10;
	}while(m);
	*z=n;
	return max;
}
main()
{
	unsigned m;
	int z,max;
	printf("\nInput m(unsigned):");
	scanf("%d",&m);
	max=fun(m,&z);
	printf("\nThe result:max=%d z=%d\n",max,z);
}

输出运行窗口如下：



本周其他练习
C语言程序设计专栏
C语言编程＞第二十三周 ① 下列给定程序中，函数fun的功能是：求n!（n＜20）,所求阶乘的值作为函数值返回。例如，若n=5,则应输出120。
C语言编程＞第二十三周 ② 请补充fun函数，该函数的功能是：交换数组a中最大和最小两个元素的位置，结果重新保存在原数组中，其它元素位置不变。注意数组a中没有相同元素。
C语言编程＞第二十三周 ③ 下列给定程序中，函数fun的功能是：利用插入排序法对字符串中的字符按从小到大的顺序进行排序。插入法的基本算法是：先对字符串中的头两个元素进行排序；然后把第三字符插入到前两个字符中，插入后前三个字符依然有序；再把第四个字符插入到前三个字符中……待排序的字符串已在主函数中赋予。
C语言编程＞第二十三周 ④ 请补充fun 函数，该函数的功能是：删除字符数组中比指定字符小的字符，指定字符从键盘输入，结果仍保存在原数组中。
C语言编程＞第二十三周 ⑤ 请补充main函数，该函数的功能是：求1～100（不包括100）以内所有素数的平均值。
C语言编程＞第二十三周 ⑥ 下列给定程序中函数fun的功能是：删除字符串s中的所有空白字符（包括Tab字符、回车符及换行符）。输入字符串时用 “#”结束输入。
C语言编程＞第二十三周 ⑦ 请补充main函数，该函数的功能是：求n!。
C语言编程＞第二十三周 ⑧ 下列给定程序中，函数fun的功能是：统计一个无符合整数中各位数字值为0的个数，通过形参传回主函数，并把该整数中各位上最大的数字值作为函数值返回。
越努力越幸运！

加油，奥力给！！！