4.6.4 认识整型转换阶和整型提升

有些运算符只在操作数原有的类型上操作，例如前缀递增运算符和后缀递增运算符，它们不要求改变操作数的类型。再比如赋值运算符，它不要求改变左操作数的类型，而是要求右操作数必须转换为左操作数的类型。

相比之下，有些运算符的操作数并不是在它原来的类型上操作，尤其是那些需要两个操作数的运算符。不过这也可以理解，如果操作数的类型不同，值的表示方法也不同，这势必要求它们先转换为一致的类型才能运算。下面以一个程序为例来说明这种转换如何进行。

              /＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊c0408.c＊＊＊＊＊＊＊＊＊/
              int main（void）
              {
                  signed char cx = 1, cy = 2;
                  signed long int sl = 0;
                  unsigned long int ul = 0;

                  sl += cx + cy;
                  sl += cx ＊ 3L;
                  ul += sl ＜= ul;

                  unsigned char uc = -1;

                    cy = - uc ++;
                }

在这里，表达式sl += cx + cy用于将子表达式cx + cy的值加到左值sl。在子表达式中，左值cx和cy的类型都是signed char，是不是意味着子表达式cx + cy的类型也是signed char？

非常遗憾的是，非也。我们知道，int和unsigned int类型的长度并不是固定的，随不同的计算机系统而异。在C语言的设计者看来，int和unsigned int类型通常应该等于你所用的计算机的自然字长——比如，在16位处理器的计算机上，int类型的长度通常是16个比特，在32位处理器的计算机上，int类型的长度通常是32个比特。

计算机的字长通常等于处理器内部的寄存器宽度，这样就很清楚了：以自然字长来加工和操作数据效率最高。C是追求效率的计算机编程语言，它希望包括二元+在内的很多运算符能够以计算机的自然字长来操作。所以它会想：先看一下这两个操作数的类型，看看有没有比int或者unsigned int短的。如果有，那就先把它加长到int或者unsigned int。加长之后，如果这两个操作数的类型一致，那太好了；如果不一致，再继续以那个较长的为标准来转换那个较短的，使它们最终一致。无论如何，第一步，也是最保守的做法是先将短的类型加宽为int或者unsigned int。

但是，整数类型那么多，到底谁是长的，谁是短的？为此，C语言引入了整型转换阶的概念。整型转换阶用于确定加宽的方向，即，加宽为何种类型。每种整数类型都有自己的整型转换阶，阶的大小主要取决于类型的宽度，图4-8给出了所有标准整数类型的整型转换阶。

由图中可知，每个有符号整数类型的阶等于与其相对应的无符号整数类型；_Bool类型的阶最低；long long int和unsigned long long int类型的阶最高。

对于包括二元+在内的很多运算符来说，C语言规定，如果一个操作数相对于int类型来说较窄，但它的值能用int类型来表示，则将其转换为int类型；如果无法表示，则转换为unsigned int类型，这个过程叫作整型提升。

那么，怎样才算是比int类型窄呢？标准之一就是它的整型转换阶小于int和unsigned int类型。显然，_Bool、char、signed char、unsigned char、short int和unsigned short int类型的操作数都必须先做整型提升。

这里有两点需要说明，第一，整型提升是一种特殊的整数类型转换，特指从阶较低的整数类型转换（提升）为int或者unsigned int类型，从int类型转换到long int类型并不是整型提升；第二，并不是所有运算符的操作数都需要做整型提升，例如递增和递减运算符的操作数就不需要，即使它们是整数类型。

让我们继续来看表达式cx + cy，左值cx和cy的类型都是signed char，所以它们都必须进行整型提升，提升为int类型，故表达式cx + cy的类型是int。

原则上，运算符的操作数在整型提升后应具有一致的类型，如果不一致的，还必须做进一步的转换。总的原则是，阶较低的整数类型转换为阶较高的整数类型。

来看表达式sl += cx ＊ 3L的子表达式cx ＊ 3L，常量表达式3L的类型是signed long int，而左值cx的类型是signed char。首先将cx的值从signed char类型提升为int类型。提升后类型仍不一致，故必须将cx的值再次从int类型转换为signed long int类型。换句话说，子表达式cx ＊ 3L的类型是signed long int。

再来看表达式ul += sl＜= ul的子表达式sl＜= ul，左值sl的类型是signed long int，而左值ul的类型是unsigned long int，这两种整数类型的阶都高于int和unsigned int，所以这里不存在整型提升，但它们仍不是同一种类型。如果提升之后两个操作数的类型不同，一个是有符号整数类型，另一个是无符号整数类型，且无符号整数类型的阶高于或者等于那个有符号整数类型，则将有符号整数类型的操作数转换为那个无符号整数类型。因此，必须将sl的值从signed long int转换为unsigned long int类型。

然而，表达式sl＜= ul的类型会是unsigned long int吗？不会的，我们说过，关系表达式的类型始终为int。这里的奥妙在于，操作数sl和ul的值统一在unsigned long int层面上进行比较操作，然后根据比较的结果生成int类型的0或者1。

练习4.8

在上面的程序中，表达式sl += cx ＊ 3L和ul += sl＜= ul的类型各是什么，为什么？

4.6.4.1 负号运算符

细心的同学可能已经发现了，整型常量里没有负数。我们在编程时不可避免地会用到负数，例如-67，但是在C语言里，67是整型常量表达式，前面的负号是运算符，称为负号运算符。换句话说，在C语言里，负数是通过“运算”得到的，它将一个整型常量表达式的值转换为一个负的内部表示。

负号运算符需要一个右操作数，如果这个操作数是整数类型，必须先整型提升，负号运算符的结果是提升后的负值，结果的类型是提升后的类型；如果操作数不是整数类型，则负号运算符的结果是其操作数的负值，结果的类型与其操作数的类型相同。

在上面的程序里，末尾部分有一个声明：

              unsigned char uc = -1;

在这里，负号运算符的操作数1是整型常量表达式，按要求必须先做整型提升，但其类型已经是int，名义上要做但是没做。最终，表达式-1的类型也是int。

表达式-1的值用于初始化变量uc，变量uc的类型是unsigned char，这就要把表达式-1的值从原先的int类型转换为unsigned char类型。在我的机器上，signed char类型的最大值是255，所以转换的方法是256 +（-1）= 255（参见前面的整数-整数转换）。这就是说，将表达式-1的值赋给unsigned char类型的变量，将使该变量的值为unsigned char类型所能表示的最大值。

推而广之，将表达式-1的值转换为任何一种无符号整数类型，其结果是得到这种无符号整数类型的最大值。

最后来看表达式cy = - uc ++，在这里，后缀递增运算符的优先级最高，负号运算符的优先级次之，赋值运算符的优先级最低，故它等价于cy = -（uc ++）。递增运算符不改变其操作数的类型，而且，递增表达式的类型也是其操作数的类型。因为左值uc的类型是unsigned char，故表达式uc ++的类型也是unsigned char。

作为负号运算符的操作数，表达式uc ++的值要从原先的unsigned char类型提升为int类型，而且这也是表达式-uc ++的类型。提升的过程也是类型转换的过程，由于unsigned char类型的值总能用int类型来表示，故转换（提升）后的值不变。

因为赋值运算符左操作数cy的类型是signed char，所以表达式-uc ++的值还要从int类型转换为signed char类型。

我们已经讲过整数—整数转换，如果表达式-uc ++的值能够被signed char类型表示，则转换后的值不变；如果不能，因目标类型是有符号整数类型，故转换后的结果不能确定。在我的机器上，转换前，表达式-uc ++的值是255，但不能被signed char类型表示，故转换后的值无法预知。

不同的运算符需要不同的操作数，需要做不同的转换。每种运算符需要什么类型的操作数，如果操作数的类型不同该如何转换，都将在本书的后面逐一介绍。

练习4.9

1．如果知道unsigned char、unsigned int、unsigned long int和unsigned long long int类型所能表示的最大值（在你的计算机上）？编写一个程序，然后在gdb中观察一下到底是多少。

2．表达式-3u的结果是多少？结果的类型是什么？

4.6.4.2 转型运算符

一般来说，整数之间的转换是自动进行的。当然，如果你不嫌麻烦的话，也可以手工进行转换，手工转换的方法是使用转型表达式。转型表达式由转型运算符组成，其形式为

           （类型名）表达式

在C语言里，有三种运算符非常相似，都使用了一对圆括号，它们是函数调用运算符、转型运算符和基本表达式。不过，它们之间的区别也相当明显：函数调用运算符的操作数在左边和圆括号内；转型运算符的操作数在右边；基本表达式的操作数在圆括号内。

转型表达式的作用是将“表达式”的值从它原先的类型转换为“类型名”指定的那种类型。举个例子来说，在以下声明中，是将整型常量0x33从它原先的int类型转换为long long int类型后，再用于初始化变量ll：

              long long ll =（long long）0x33;

注意，被转型的表达式里可能含有别的运算符，如果它们的优先级低于转型运算符，则被转型的表达式应当用圆括号括起来以形成基本表达式，例如：

              signed char cx, cy;
              cx =（signed char）0x33;
              cy =（signed char）（cx + 0x30）;

以上，转型运算符的优先级高于赋值运算符，表达式cx =（signed char）0x33是将整型常量0x33从它原来的int类型转换为signed char类型，然后赋给左值cx。

在表达式cy =（signed char）（cx + 0x30）里，是将表达式cx的值从它原先的signed char类型提升为int类型，再与int类型的0x30相加，得到一个int类型的结果。这个结果再转型为signed char类型，赋给变量cy。

转型运算符的优先级高于加性运算符，所以表达式cx + 0x30必须用圆括号括住。如果没有这个圆括号，意思就完全不同了：

              cy =（signed char）cx + 0x30;

这是将表达式cx的值转换为signed char类型后，再与int类型的0x30相加。顺便说一句，在相加之前，表达式（signed char）cx的值还要作整型提升。