Witaj w piekle: C & C++ - niejawne konwersje i promocje typów

Nie jest tajemnicą, że C i C++ zawiera sporo różnych pułapek czyhających nawet na doświadczonych programistów. Chciałbym przedstawić kilka wyjątkowo wrednych, trudnych do wykrycia, czasem subtelnych i prawie zawsze bardzo niebezpiecznych niespodzianek jakie zaserwuje nam kompilator. Co gorsza, na pierwszy rzut oka wszystko wygląda logicznie…

Na początek kilka przykładów, które z jakiegoś powodu są uwielbiane przez technicznych rekruterów C++…

Przykład 1

unsigned char one = 1;
unsigned char max = 255;
     
unsigned char sum = one + max;
    
if (sum == one + max) {
    std::cout << "Captain obvious!" << std::endl;
} else {
    std::cout << "Wait... WTF?" << std::endl;
}

Przykład 2

unsigned char x = 0;
unsigned char y = 1;
printf("255, right? Oops: %u\n", x - y);

Przykład 3

unsigned int a = 1;
signed int b = -2;

if (a + b > 0) {
    std::cout << "Wait... -1 > 0?" << std::endl;
}

Analiza

Aby zrozumieć powyższe anomalie trzeba zapoznać się z trzema konceptami wprowadzonymi przez standardy C i C++: promocje typów całkowitych, niejawne konwersje i balansowanie. Oczywiście jest to tylko wierzchołek góry lodowej ale z mojego doświadczenia wiem, że nieznajomość właśnie tych reguł przyczynia się do największej ilości błędów tego rodzaju. Postaram się ująć obydwa języki (C i C++) w jedną całość jako że reguły te są niemal identyczne.

Promocje typów całkowitych i NIEJAWNE KONWERSJE

Każdemu typowi całkowitemu przydzielono rangę konwersji (conversion rank), która to wykorzystywana jest do podjęcia decyzji przez kompilator o promocji. I tak dla typów podstawowych, w kolejności od najmniejszych do największych rang mamy: char, short, int, long, long long. Odpowiadające im typy unsigned mają identyczne rangi.

Zasada jest taka, że każdy typ całkowity (w tym unsigned) o randze mniejszej niż int jest niejawnie konwertowany w wyrażeniach do typu int pod warunkiem, ze int jest wstanie reprezentować każdą wartość typu konwertowanego. Czyli konwersja nie spowoduje utraty wartości. Jeśli jednak ten warunek nie zostałby spełniony to konwersja będzie dokonana do typu unsigned int.

Powyższą regułę nazywamy promocjami typów całkowitych (integer promotions).

Uzbrojeni w tą wiedzę możemy przeanalizować przykład nr 1. Interesujący nas fragment to if (sum == one + max). Zmienne sum, one i max są typu unsigned char więc zgodnie z regułą promocji będą one promowane w wyrażeniach do typu int. Możemy zapisać to wyrażenie równoważnie jako if ((int)sum == (int)one + (int)max). Pamiętając, że wcześniej zmienna sum przyjmuje wartość 0 po rzutowaniu wyniku dodawania z int na unsigned char (znowu reguła promocji sum = (int)one + (int)max!). Dla odmiany wyrażenie w warunku (int)one + (int)max będzie mieć wartość 256. Stąd to dziwne zachowanie.

Przykład 2 pozostawiam jako ćwiczenie. Reguła promocji tłumaczy dziwny rezultat (255, right? Oops: 4294967295). Tutaj trzeba również zwrócić uwagę na flagi formatujące w funkcji printf.

Balansowanie

Przykład 3 jest ciekawy bo dziwnego zachowania już nie wyjaśnimy powyższymi prawidłami. Mamy dwa typy o równych rangach: signed int i unsigned int. Co w takim przypadku? Musimy zapoznać się z tzw. balansowaniem (balancing) a bardziej precyzyjnie z Usual arithmetic conversions.

Większość operatorów binarnych (np. +) działających na typach liczbowych przyjmuje dwa argumenty tego samego typu i zwraca ten sam typ. Typ ten nazywamy common real type. Koncepcyjnie moglibyśmy przedstawić taki operator jako

template <class T>
T operator+(T a, T b)
{ return a + b; }

Więc jeśli wystąpi różnica typów argumentów mających tą samą rangę, tak jak w przykładzie 3, to musi zostać dokonana konwersja. W przypadku różnych rang mniejszych od int zostanie wykonana promocja i operator może otrzymać na wejściu dwa identyczne typy (int albo unsigned int). A co w innych przypadkach?

Balansowanie wykonywane jest wg. poniższego algorytmu (skup się!):

Jeśli jeden z argumentów jest long double to drugi będzie konwertowany do long double (np. long double + float ==> long double)
W przeciwnym wypadku, jeśli jeden z argumentów jest double to drugi będzie konwertowany do double (np. double + int ==> double)
W przeciwnym wypadku, jeśli jeden z argumentów jest float to drugi będzie konwertowany do float (np. unsigned long long int + float ==> float)
W przeciwnym przypadku (typy całkowite) zastosuj promocję typów całkowitych (opisaną powyżej) _i_:
- Jeśli typy są identyczne – koniec zabawy
- W przeciwnym wypadku, jeśli rangi są różne ale wersje typów (unsigned/signed) takie same to konwertuj do typu o większej randze (np. int + long ==> long)
- W przeciwnym wypadku, jeśli wersje typów są różne i ten „unsigned” ma większą bądź równą rangę to konwertuj do tego typu (unsigned int + int ==> unsigned int)
- W przeciwnym wypadku, jeśli ranga typu „signed” jest wyższa to skonwertuj do typu „signed” pod warunkiem, że ten pomieści drugi typ w całości (signed long long + unsigned int ==> signed long long)
- W przeciwnym wypadku (ranga typu „signed” jest wyższa niż typu „unsigned” ale „signed” nie pomieści w całości „unsigned„) to konwertuj obydwa typy do nowego typu „unsigned” o randze równej „signed” (np. jeśli sizeof(long) == sizeof(long long) to unsigned long int + signed long long int ==> unsigned long long int)
- Uff

Jak można poprawić przykład 3? Np. zmieniając unsigned int a = 1; and unsigned short a = 1;.

Na koniec kilka przykładów.

double d = 1;
int e = 2;
unsigned int f = 3;
    
auto g = d * (e / f);

// g=? => 1!

auto h = d * e / f;

// h=? => ~0.666667  :)

int a = -2;
unsigned int b = 1;
    
auto c = a + b;

// c=? => 4294967295

Jeśli w powyższym przykładzie zmienimy linię 1 na int a = -1; to dostaniemy poprawny wynik. Dlaczego?

long int a = -2;
unsigned int b = 1;
    
auto c = a + b;

// c=? => -1

static_assert(sizeof(long) == sizeof(long long), " ");

unsigned long f = 1;
long long g = -2;

auto h = f + g;
std::cout << "-1?.... " << h << std::endl;
// h (unsigned long long) --> 18446744073709551615

Ostatni przykład pokazuje ostatnią regułę balansowania w akcji.

Mam nadzieję, że temat został choć odrobinę przybliżony. Nie jest to kompendium wiedzy ale raczej wstęp do tematyki. Z drugiej strony informacje zawarte w tym wpisie pozwolą na uniknięcie 90% nieprzyjemności jakie napotkamy w tym obszarze.

Materiały dodatkowe:

https://en.cppreference.com/w/cpp/language/implicit_conversion

[C/C++] Surprises and Undefined Behavior From Unsigned Integer Promotion

https://stackoverflow.com/questions/46073295/implicit-type-promotion-rules

Witaj w piekle: C & C++ – niejawne konwersje i promocje typów