深入理解C语言类型转换

忘是亡心i 2022-08-05 10:27 404阅读 0赞

# **类型转换简要介绍** #

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C语言类型转换分为两种：

*  显式强制类型转换
 *  隐式自动类型转换

也许你曾经遇到过**一个负数经过类型转换后可能变成一个很大的整数**之类的现象，却不知道实质上是因为什么，只是浅显地了解到类型转换会向着更大精度的方向转化。尤其是对于计算机基础知识不扎实或者很多半路出家（比如我）的人来说不是很了解背后的原因。希望下面的解释能够解决这个疑惑。本文以C语言为例，其他类似语言也有类似的结论，深究到底自会明白。

下面从详细介绍一个显式类型转换开始。要想深入理解类型转换，首先要有机器数(原码、补码和反码)的相关基本了解。我们都知道在计算机中信息都以二进制用0和1来表示信息。为了运算方便，大多采用补码形式存储数据。比如一个C语言的short类型，一般short类型为2个字节，也就是用16位二进制数表示。那么在计算机中的-1（也就是所谓的真值）表示为，也就是16位的-1补码为：

> \[−1\]补=1111111111111111

简单测试一下计算机中是否以补码表示运算数据：

将10进制转换成为二进制函数：

/* 模板函数，可将基本数据类型的10进制表示(说法欠妥，您能理解就行)转换成计算机中的二进制表示 */
    template<class T>
    char* DecimalToBinary(T n, char *b)
    {
        const int length = 8 * sizeof(T);
        for (int i = length - 1; i >= 0; i--, n >>= 1)
            b[i] = (1 & n) + '0';  // 1与n进行位运算将得到n的最后一位二进制表示
        b[length] = '\0';
        return b;
    }

测试代码：

void main()
    {
        short a = -1;
        char *b = new char[sizeof(a)*8];
        cout << "10进制: " << a << endl;
        cout << "二进制: " << DecimalToBinary(a, b) << endl;
        return;
    }

运行结果：

![运行结果][20150913192008211]

如我们预期, 真值 -1 在计算机中的16位机器数表示为1111 1111 1111 1111。

# **计算机如何处理类型转换** #

理解的前提有了，下面进入正题：计算机如何处理类型转换。

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先来看一下同等长度变量是如何处理的。

### **同等长度变量之间的类型转换** ###

同样长度的不同类型相互转换时，比方 short 强制转换成 unsigned short。实际在转换过程中，转换后的 unsigned short 与原来的 short 在计算机中的**二进制表示形式一样的，改变的只不过是解释他们的方式。**

> **强制类型转换结果保持位值不变，只是改变了解释这些位的方式。**

##### **代码测试：** #####

void main()
    {
        short a = -4321;
        unsigned short ua = (unsigned short)a;  // 这里进行强制类型转换
        char *b = new char[sizeof(a)*8];
        cout << "sizeof(short): " << sizeof(short) << endl;
        cout << "sizeof(unsigned short): " << sizeof(unsigned short) << endl;
        cout << "真值：" << setw(32) << a << " 机器数" << DecimalToBinary(a, b) << endl;
        cout << "真值：" << setw(32) << ua << " 机器数" << DecimalToBinary(ua, b) << endl;
        return;
    }

运行结果:

![运行结果][20150913192710018]

**结果分析：**

显然，结果如预期。可以试一下，按照无符号数的解释，1110111100011111这么一串补码的确表示61215。

### **不同长度变量之间的类型转换** ###

上面介绍了理解类型转换的前提。并详细介绍了同等长度(比方 int 类型与 unsigned int类型一般都是2个字节的表示长度)的不同类型转换，并且总结一句话就是：

> **强制类型转换结果保持位值不变，只是改变了解释这些位的方式。**

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下面来看一下不同字长变量之间的转换：

*  #### **长字长变量向短字长变量的转换** ####
    
     *  处理方式：  
        **系统把多余的高位字长部分直接截断，低位直接赋值，也是一种保持位值的处理方法。**
     *  将10进制数转换成二进制在上一篇提供了方法。
     *  测试代码：
        
            void main()
            {
            int x = -4321;
            char *bx = new char[sizeof(x)* 8];
            short y = x;
            char *by = new char[sizeof(y)* 8];
            cout << "真值：" << x << setw(20)<< " 机器数： " << DecimalToBinary(x, bx) << endl;
            cout << "真值：" << y<< setw(20) << " 机器数： " << DecimalToBinary(y, by) << endl;
            return;
            }
     *  运行结果  
        ![运行结果][20150914183504140]
     *  结果分析  
        **高位截断，低位直接赋值，如预期。**
 *  #### **短字长变量向长字长变量的转换** ####
    
     *  处理方式：  
        **短字长转向长字长，不仅是相应的位值相等，高位部分还会扩展为原数字的符号位。**
     *  测试代码：
        
            void main()
            {
            short x = -4321;
            char *bx = new char[sizeof(x)* 8];
            int y = x;
            char *by = new char[sizeof(y)* 8];
            
            cout << "真值：" << x << setw(20)<< " 机器数： " << DecimalToBinary(x, bx) << endl;
            cout << "真值：" << y<< setw(20) << " 机器数： " << DecimalToBinary(y, by) << endl;
            cout << endl;
            
            x = 4321;
            y = x;
            cout << "真值：" << x << setw(21) << " 机器数： " << DecimalToBinary(x, bx) << endl;
            cout << "真值：" << y << setw(21) << " 机器数： " << DecimalToBinary(y, by) << endl;
            return;
            }
     *  运行结果：  
        ![运行结果][20150914184502665]
     *  结果分析  
        **低位位值对应相等，高位扩展为短字长的符号位，如预期。**

### **类型转换总结** ###

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相信大家已经对于类型转换有了较为深刻的认识。终究要理解本质的话，还是要深入到0/1的世界，站在计算机的角度理解我们看到的表面现象。

上面提到的知识，其实在大学里面开设的计算机组成原理这门课都有。另外推荐一本书《深入理解计算机系统》，最新版本是第三版不过时英文，现在网上流传的应该还是第二版，本文内容即可在书中找到对应。

就像学的很多数学，微积分、线性代数、概率论，一开始并不知道学这么些有什么用，卖菜的大爷大妈不会调皮到要出个题目才把菜卖给你，玩骰子的时候也不会想着算计它出现某个数字的概率。不过后来在接触机器学习与数据挖掘的过程中，才能够慢慢发现数学的用处。如果能够在当初开始学习的时候就能够感受到这些，那该有多好。

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### 测试代码注意： ###

- 如果自己写程序测试以上理论的话，请注意相关细节。
    
        二进制表示如果采用数组存储的话，记得在10进制数对应所需的二进制数上加1。否则会溢出。
        而这种溢出经试验在VC6.0下面并不会被检查出来，程序可以运行，但是最终结果将不会是预期。
    
        - 在VS下面就能够检测出这种错误并终止程序运行，故建议使用VS. 否则可能由于一些其他外在原因(编译器的原因)将得不到理论值。

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[20150913192710018]: /images/20220731/5d1911cd00f6402b94e71583735a98f9.png
[20150914183504140]: /images/20220731/5730228f677b4c10a73806135a1350d5.png
[20150914184502665]: /images/20220731/b9cc9ae7341249ec80c317ed71c8f316.png