用C的数据类型宽度扩展来解释char c=128;printf("%d",c);问题

代码编译运行环境：Windows 64bits+VS2017+Debug+Win32

1.问题描述

在编程或者面试过程中，可能会遇到如下问题：

char c=128;
printf("%d",c); //输出-128

为什么一个正整数128以整型int输出却变成了一个负数？

2.问题分析

在理解上面的问题时，我们需要先了解如下问题。

（1）char型所能表示的数据范围是-128~127。当把128赋值给char型变量时，那么内存中实际存储的是什么呢？将以上面的代码在Debug模式下转到反汇编，汇编代码如下：

    char c=128;
00B16AB0  mov         byte ptr [c],80h  
    printf("%d",c);
00B16AB4  movsx       eax,byte ptr [c]  
00B16AB8  mov         esi,esp  
00B16ABA  push        eax  
00B16ABB  push        0B1EC90h  
00B16AC0  call        dword ptr ds:[0B2240Ch]  
00B16AC6  add         esp,8  
00B16AC9  cmp         esi,esp  
00B16ACB  call        __RTC_CheckEsp (0B113CFh)  

从汇编代码可以看出，char型变量c中存储的是128的补码：10000000b。注意对于计算机来说，整型数值存储的都是补码，而反码、源码是为了方便编程人员理解数据的变换而提出来的。

（2）当char转换为int时，内存中的数据如何从1个字节扩展到4个字节？这个是本文的核心问题，理解了这个，就可以很好地解释为什么char c=128;printf(“%d”,c); 输出的是-128。

当char型扩展到int型时，C标准中有如下规则： （2.1）短数据类型扩展为长数据类型 （a）要扩展的短数据类型为有符号数，进行符号扩展，即短数据类型的符号位填充到长数据类型的高字节位（即比短数据类型多出的那一部分），保证扩展后的数值大小不变

char x=10001001b;   short y=x;  则y的值应为11111111 10001001b；   //例1
char x=00001001b;   short y=x;  则y的值应为00000000 00001001b；   //例2

（b）要扩展的短数据类型为无符号数，进行零扩展，即用零来填充长数据类型的高字节位。

unsigned char x=10001001b;   short y=x;  则y的值应为00000000 10001001b;  //例1
unsigned char x=00001001b;   short y=x;  则y的值应为00000000 00001001b;  //例2

（2.2）长数据类型缩减为短数据类型 如果长数据类型的高字节全为1或全为0，则会直接截取低字节赋给短数据类型；如果长数据类型的高字节不全为1或不全为0，则转换就会发生错误。

（2.3）同一长度的数据类型中有符号数与无符号数的相互转化 直接将内存中的数据赋给要转化的类型，数值大小则会发生变化，因为以不同类型解释同一段内存数据会得到不同的数值。比如一个字节中存放的数据是11111111，以unsigned char来解释就是255，以char来解释就是-1。

根据以上规则，可以得出当char c 是一个有符号的字符变量，其内存中存储的是1000 0000，但当它被传送到printf函数的参数时，是将c按照int来进行宽度扩展后再传给printf()。

128的补码是 1000 0000b，16进制是0x80，当它扩展为 int时，由于int是4个字节，需要进行短数据类型扩展到长数据类型。由于内存中存放的是10000000，以char型来解释的话第一位为符号位，表示负数，进行符号扩展为int后，int型变量中存储的数据是：11111111 11111111 11111111 1000000，即0xffffff80。以int来解释的这四个字节的数据，其值就是-128，以unsigned int来解释的话，就是232−1−127=4294967168232−1−127=42949671682^{32}-1-127=4294967168。

3.代码验证

根据以上分析，我们可以清楚准确的推断出下面的输出。

    unsigned char uc=128;
    char c=128;
    printf("%d\n",uc);      //128
    printf("%d\n",c);       //-128
    printf("%u\n",uc);      //128
    printf("%u\n",c);       //4294967168
    printf("%08x\n",uc);    //0x00000080
    printf("%x\n",c);       //0xffffff80

应该不会为这些输出结果而感到惊讶和困惑了吧！

参考文献

[1]类型扩展 [2]char c=128