使用无符号数据类型来强制执行非负数和/或有效值是最佳做法吗？

Question

最近,在重构过程中,我正在查看我编写的一些代码并注意到以下几点:

1. 我有用于unsigned char在区间[0-255]中强制执行值的函数.
2. 使用的其他函数int或long具有if语句内部语句的数据类型,以静默方式将值钳位到有效范围.
3. 包含在类和/或声明为参数到具有一个未知的函数的值upper bound,但已知的和明确的非负lower bound被宣布为unsigned数据类型(int或long取决于可能性的是,upper bound去上述40亿).

不一致是令人不安的.这是一个很好的做法,我应该继续吗？我应该重新考虑逻辑并坚持使用int或long使用适当的非通知钳位？

关于使用"适当"的注释:有些情况下我使用signed数据类型并在值超出范围时抛出通知异常,但这些是为divde by zero和保留的constructors.

Answer 1

在C和C++中,有符号和无符号整数类型具有某些特定的特征.

签名类型的界限远远不为零,超出这些界限的操作具有未定义的行为(或者在转换的情况下实现定义).

无符号类型的下限为零,上限远离零,超过这些边界的操作会悄然环绕.

通常你真正想要的是一个特定的值范围,当操作超过这些边界时(饱和,发出错误信号等),会有一些特定的行为.有符号或无符号类型都不完全适合这些要求.混合有符号和无符号类型的操作可能会令人困惑; 这种操作的规则是由语言定义的,但它们并不总是很明显.

无符号类型可能会有问题,因为下限为零,因此具有合理值(无法接近上限)的操作可能会以意外的方式运行.例如,这个:

for (unsigned int u = 10; u >= 0; u --) {
    // ...
}

是一个无限循环.

一种方法是将签名类型用于不绝对需要无符号表示的所有内容,选择足够宽的类型来保存所需的值.这避免了签名/无符号混合操作的问题.例如,Java通过不使用无符号类型来强制执行此方法.(就个人而言,我认为这个决定是过度的,但我可以看到它的优点.)

另一种方法是对逻辑上不能为负的值使用无符号类型,并且对可能下溢或混合有符号和无符号类型的表达式要非常小心.

(另一个是用你想要的行为来定义你自己的类型,但是这有成本.)

正如John Sallay的回答所说,一致性可能比你采取的特定方法更重要.

我希望我能给出"这种方式是正确的,那种方式是错误的"答案,但确实没有一种.

Answer 2

我可能会认为一致性是最重要的。如果您选择一种方法并正确执行，那么其他人稍后就会很容易理解您在做什么。关于正确行事，有几个问题需要考虑。

首先，检查整型变量 n 是否在有效范围内（例如 0 到 N）时很常见：

if ( n > 0 && n <= N ) ...

仅当 n 带符号时此比较才有意义。如果 n 是无符号的，那么它永远不会小于 0，因为负值会环绕。您可以将上面的内容重写为：

if ( n <= N ) ...

如果有人不习惯看到这一点，他们可能会感到困惑并认为你做错了。

其次，我要记住，C++ 中的整数类型大小没有保证。因此，如果您希望某些内容以 255 为界，则 unsigned char 可能无法达到目的。如果变量具有特定含义，那么使用 typedef 来表明这一点可能很有价值。例如，size_t 是与内存地址一样宽的值。这意味着您可以将它与数组一起使用，而不必担心在 32 位或 64 位计算机上使用。我尝试尽可能使用此类 typedef，因为它们清楚地传达了我使用该类型的原因。（size_t 因为我正在访问一个数组。）

第三，回到环绕问题。您希望使用无效号码发生什么情况。对于 unsigned char，如果您使用该类型来绑定数据，那么您将无法检查是否输入了超过 255 的值。这可能是问题，也可能不是问题。