为什么 char 与signed char 和unsigned char 不同？

Question

考虑以下代码：

#include <iostream>
#include <type_traits>
 
int main()
{
    std::cout << "std::is_same<int, int>::value = " << std::is_same<int, int>::value << std::endl;
    std::cout << "std::is_same<int, signed int>::value = "<<std::is_same<int, signed int>::value << std::endl;
    std::cout << "std::is_same<int, unsigned int>::value = " << std::is_same<int, unsigned int>::value << std::endl;

    std::cout << "----" << std::endl;

    std::cout << "std::is_same<char, char>::value = " << std::is_same<char, char>::value << std::endl;
    std::cout << "std::is_same<char, signed char>::value = " << std::is_same<char, signed char>::value << std::endl;
    std::cout << "std::is_same<char, unsigned char>::value = " << std::is_same<char, unsigned char>::value << std::endl;
}

结果是：

std::is_same<int, int>::value = 1
std::is_same<int, signed int>::value = 1
std::is_same<int, unsigned int>::value = 0
----
std::is_same<char, char>::value = 1
std::is_same<char, signed char>::value = 0
std::is_same<char, unsigned char>::value = 0

这意味着

int

和

signed int

被视为同一类型，但

char

和

signed char

则不然。这是为什么？

如果我可以使用

char

将

signed char

转换为

make_signed

，那么如何做相反的事情（将

signed char

转换为

char

）？

Answer 1

有三种不同的基本字符类型：char、signed char和unsigned char。 虽然有三种字符类型，但只有两种表示形式：有符号和无符号。 (plain)char 使用这些表示之一。其他两个字符表示中哪一个相当于 char 取决于编译器。

在无符号类型中，所有位都代表值。例如，8 位 unsigned char 可以保存从 0 到 255（含）的值。

该标准没有定义如何表示有符号类型，但指定范围应在正值和负值之间均匀划分。因此，8 位 signed char 保证能够保存从 -127 到 127 的值。

---

那么如何决定使用哪种Type呢？

使用 char 的计算通常会出现问题。 Char 默认情况下在某些机器上已签名，而在其他机器上则未签名。所以我们不应该在算术表达式中使用 (plain)char。仅用它来保存字符。如果您需要一个小整数，请显式指定 signed char 或 unsigned char。

摘自C++ Primer 第 5 版，第 14 页。 66.

Answer 2

这是设计使然，C++ 标准说

char

、

signed char

和

unsigned char

是不同的类型。我认为你可以使用静态强制转换来进行转换。

Answer 3

事实上，标准明确指出 char、signed char 和 unsigned char 是 3 种不同的类型。一个字符通常是 8 位，但这不是标准强加的。一个8位数字可以编码256个唯一值；区别仅在于如何解释这 256 个唯一值。如果将 8 位值视为有符号二进制值，则它可以表示从 -128（编码为 80H）到 +127 的整数值。如果您认为它是无符号的，它可以表示 0 到 255 的值。根据 C++ 标准，有符号的 char 保证能够保存值 -127 到 127（不是 -128！），而无符号的 char 能够保存值0 到 255。

将 char 转换为 int 时，结果是实现定义的！结果可能例如根据单个字符“É”（ISO 8859-1）的机器实现，为 -55 或 201。事实上，将字符保存在一个字（16 位）中的 CPU 可以存储 FFC9 或 00C9 或 C900，甚至 C9FF（以大端和小端表示）。对有符号或无符号字符的显式转换确实保证了 char 到 int 的转换结果。

Answer 4

添加有关范围的更多信息：从 c++ 20 开始，有符号字符也保证 -128 值：P1236R0：P0907R4 有符号整数的替代措辞是二进制补码

对于有符号整数类型的每个值x，都有一个对应的无符号整数类型的唯一值y，使得x与y模2N全等，反之亦然；每个这样的 x 和 y 都有相同的表示。

[脚注：这也称为 补码表示法.].
[ 示例：有符号类型的值 -1 与相应无符号类型的值 2N-1 相同；这些值的表示是相同的。 ]

表 X 中指定了每个有符号整数类型的范围指数的实现所需支持的最小值。

我善意而痛苦地（因为SO不支持表降价）重写了下面的表x：

╔═════════════╦════════════════════════════╗  
║ Type        ║ Minimum range exponent N   ║  
╠═════════════╬════════════════════════════╣  
║ signed char ║        8                   ║  
║ short       ║       16                   ║  
║ int         ║       16                   ║  
║ long        ║       32                   ║  
║ long long   ║       64                   ║  
╚═════════════╩════════════════════════════╝  

因此，有符号字符有 8 位：-2ⁿ⁻1 到 2ⁿ⁻1-1（n 等于 8）。

保证范围是从-128到127。因此，当涉及范围时，char 和signed char 之间不再有区别。

---

关于 Cadoiz 的评论：标准所说的都是如此，现实也是如此。
使用以下程序进行现实检查：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    char c = -128;
    printf("%d\n", (int)c);
    printf("%d\n", (int)--c);
    return 0;
}

输出：

-128
127

---

我还想说，signed char 可以帮助其他程序员，也可能帮助编译器理解您将使用 char 的值来执行指针的算术。