将 2 个字节转换为有符号的 16 位整数的正确方法是什么？

Question

在这个回答中，zwol提出了这个主张：

将来自外部源的两个字节数据转换为 16 位有符号整数的正确方法是使用如下辅助函数：

#include <stdint.h>

int16_t be16_to_cpu_signed(const uint8_t data[static 2]) {
    uint32_t val = (((uint32_t)data[0]) << 8) | 
                   (((uint32_t)data[1]) << 0);
    return ((int32_t) val) - 0x10000u;
}

int16_t le16_to_cpu_signed(const uint8_t data[static 2]) {
    uint32_t val = (((uint32_t)data[0]) << 0) | 
                   (((uint32_t)data[1]) << 8);
    return ((int32_t) val) - 0x10000u;
}

上述哪个函数合适取决于数组是包含小端还是大端表示。字节序是不是问题的问题，在这里，我很奇怪，为什么zwol减去0x10000u从uint32_t值转换为int32_t。

为什么这是正确的方法？

转换为返回类型时如何避免实现定义的行为？

既然您可以假设 2 的补码表示，那么这个更简单的转换将如何失败： return (uint16_t)val;

这个幼稚的解决方案有什么问题：

int16_t le16_to_cpu_signed(const uint8_t data[static 2]) {
    return (uint16_t)data[0] | ((uint16_t)data[1] << 8);
}

Answer 1

如果int是 16 位，那么如果return语句中表达式的值超出范围，则您的版本依赖于实现定义的行为int16_t。

但是第一个版本也有类似的问题；例如，如果int32_t是 typedef for int，并且输入字节都是0xFF，则 return 语句中的减法结果是UINT_MAX在转换为 时导致实现定义的行为int16_t。

恕我直言，您链接的答案有几个主要问题。

Answer 2

这应该是迂腐正确的，并且也适用于使用符号位或1 的补码表示的平台，而不是通常的2 的补码。假设输入字节为 2 的补码。

int le16_to_cpu_signed(const uint8_t data[static 2]) {
    unsigned value = data[0] | ((unsigned)data[1] << 8);
    if (value & 0x8000)
        return -(int)(~value) - 1;
    else
        return value;
}

由于分支的原因，它会比其他选项更贵。

这样做的目的是避免任何关于int表示如何unsigned与平台上的表示相关的假设。int需要强制转换以保留适合目标类型的任何数字的算术值。由于反转确保 16 位数字的最高位为零，因此该值将适合。然后一元-和 1 的减法应用 2 的补码否定的通常规则。根据平台，INT16_MIN如果它不适合int目标上的类型，仍然可能溢出，在这种情况下long应该使用。

问题中与原始版本的区别在于返回时间。虽然原始总是减去0x10000并且 2 的补码让有符号溢出将其包装到int16_t范围内，但此版本具有if避免有符号包装（未定义）的显式。

现在在实践中，当今使用的几乎所有平台都使用 2 的补码表示。事实上，如果平台有符合标准的stdint.h定义int32_t，它必须使用 2 的补码。这种方法有时派上用场的是一些根本没有整数数据类型的脚本语言 - 您可以修改上面显示的浮点数操作，它会给出正确的结果。

Answer 3

算术运算符shift和bitwise-or in expression(uint16_t)data[0] | ((uint16_t)data[1] << 8)不适用于小于 的类型int，因此这些uint16_t值被提升为int(or unsignedif sizeof(uint16_t) == sizeof(int))。尽管如此，这应该会产生正确的答案，因为只有较低的 2 个字节包含该值。

big-endian 到 little-endian 转换的另一个迂腐正确的版本（假设 little-endian CPU）是：

#include <string.h>
#include <stdint.h>

int16_t be16_to_cpu_signed(const uint8_t data[2]) {
    int16_t r;
    memcpy(&r, data, sizeof r);
    return __builtin_bswap16(r);
}

memcpy用于复制 的表示，int16_t这是符合标准的方法。这个版本也编译成1条指令movbe，见汇编。

Answer 4

另一种方法 - 使用union：

union B2I16
{
   int16_t i;
   byte    b[2];
};

在节目中：

...
B2I16 conv;

conv.b[0] = first_byte;
conv.b[1] = second_byte;
int16_t result = conv.i;

first_byte并且second_byte可以根据小端或大端模型进行交换。这种方法不是更好，而是替代方法之一。