char和通常的算术转换规则

Question

我知道这个问题已经被问过无数次，而且似乎已经回答了无数次，但我似乎无法将答案与我自己的经历相匹配。

C 标准规定对于加法“两个操作数都应具有算术类型”(6.5.6.1)。算术类型涵盖整数和浮点类型(6.2.5.18)，最后整数类型是 char、short、int、long 和 long long，它们以有符号和无符号类型存在(6.2.5.4 和 6.2.5.6)。根据通常算术转换的规则“如果两个操作数的类型相同，则不需要进一步转换”。到目前为止一切顺利。

据我了解，正如“The C Book”中的示例所示，“[n]o 算术是由 C 以小于 int 的精度完成的”，这是应用积分提升的地方。我在标准中找不到对此的任何引用，但我似乎已经看过很多次了。

既然unsigned char是算术类型，通常的算术转换规则规定相同类型的操作数不需要转换，为什么需要整型提升？

我使用两个不同的编译器对此进行了测试。我写了一个简单的程序来进行字符加法:

unsigned char a = 1;
unsigned char b = 2;
unsigned char c = a + b;

目标平台是使用 8 位架构的 Atmel Mega8 uC。因此，如果操作数应进行整数提升，则整数加法需要使用两个寄存器。

使用 Imagecraft AVR 编译器编译它，没有优化，并启用了严格和 ANSI C 可移植性选项，产生了这个汇编代码:

mov R16, R20
add R16, R18

使用 avr-gcc(我不知道有一个类似于 gcc 的 -strict 的 ANSI 开关):

$ avr-gcc -O0 -mmcu=atmega8 -S -c main.c

生成的程序集:

ldd r25,Y+1
ldd r24,Y+2
add r24,r25
std Y+3,r24

两种情况下的结果代码都对单个字节进行操作。我得到类似的结果和 & 和逻辑 ||和 ＆＆。这是否意味着该标准允许对字符类型进行算术运算而无需整数提升，或者仅仅意味着这些编译器不符合标准？

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附加:

事实证明，这完全取决于结果存储的类型。上面显示的示例仅当结果存储在 char 中时才成立，而不取决于加法的结果。将 a 设置为 0xFF 并将 b 设置为 1 会生成完全相同的汇编代码。

如果 c 的类型更改为 unsigned int，则生成的程序集如下所示:

mov R2,R20
clr R3
mov R16,R18 
clr R17
add R16,R2 
adc R17,R3 

即使在结果可以保存在单个字节中的情况下，即 a=1 和 b=2。

Answer 1

C 2011 (n1570) 6.3.1.8(“通常的算术转换”)1 声明整数提升在考虑类型是否相同之前执行::

Otherwise, the integer promotions are performed on both operands. Then the following rules are applied to the promoted operands:

If both operands have the same type, then no further conversion is needed…

因此，在 C 抽象机中，unsigned char 值必须在执行算术运算之前提升为 int。 (对于 unsigned char 和 int 具有相同大小的反常机器有一个异常(exception)。在这种情况下，unsigned char 值被提升为 unsigned int 而不是 int。这是深奥的，在正常情况下不需要考虑。)

在实际机器中，操作的执行方式必须如同在抽象机器中执行操作时获得相同的结果。因为只有结果才重要，实际的中间操作不需要与抽象机完全匹配。

当将两个 unsigned char 值的总和分配给 unsigned char 对象时，总和将转换为 unsigned char。这种转换实质上会丢弃超出适合 unsigned char 的位的位。

这意味着 C 实现无论是否这样做都会得到相同的结果:

• 将值转换为 int。
• 使用 int 算法添加值。
• 将结果转换为unsigned char。

或者这个:

• 使用 unsigned char 算法添加值。

因为结果相同，C 实现可以使用任何一种方法。

为了比较，我们可以考虑这个语句:int c = a + b;。此外，假设编译器不知道 a 和 b 的值。在这种情况下，使用 unsigned char 算术进行加法运算可能会产生与将值转换为 int 并使用 int 算术不同的结果。例如，如果 a 是 250 而 b 是 200，那么它们作为 unsigned char 值的总和是 194 (250 + 200 % 256)，但是它们在 int 算术中的总和是 450。由于存在差异，C 实现必须使用获得正确总和 450 的指令。

(如果编译器确实知道 a 和 b 的值，或者可以证明总和适合 unsigned char，那么编译器可以再次使用 unsigned char 算法。)