¿Por qué el complemento se comporta de manera diferente a través de printf?

Estaba leyendo un capítulo sobre operadores bit a bit, me encontré con el programa de operador de complemento de 1 y decidí ejecutarlo en Visual C++.

int main ()
{
   unsigned char c = 4, d;
   d = ~c;
   printf("%d\n", d);
}

Da la salida válida: 251

Entonces en vez de usar d como una variable para mantener el valor de ~cdecidí imprimir directamente el valor de ~c.

int main ()
{
   unsigned char c=4;
   printf("%d\n", ~c);
}

Da la salida -5.

¿Por qué no funcionó?

En esta declaración:

printf("%d",~c);

la c se convierte en int¹ escribe antes de ~ (complemento bit a bit) se aplica el operador. Esto se debe a promociones enterasque se invocan al operando del ~. En este caso un objeto de unsigned char el tipo se promociona a (firmado) intque es entonces (después de ~ evaluación del operador) utilizado por printf función, con correspondencia %d especificador de formato.

Darse cuenta de promociones de argumento predeterminado (como printf es una función variádica) no juega ningún papel aquí, ya que el objeto ya es del tipo int.

Por otro lado, en este código:

unsigned char c = 4, d;
d = ~c;
printf("%d", d);

ocurren los siguientes pasos:

• c es un sujeto de promociones enteras porque ~ (de la misma manera, como se describe arriba)
• ~c rvalue se evalúa como (firmado) int valor (por ejemplo -5)
• d=~c hace una conversión implícita de int a unsigned charcomo d tiene ese tipo. Puedes pensar que es lo mismo que d = (unsigned char) ~c. Darse cuenta de d no puede ser negativo (esta es la regla general para todos los tipos sin firmar).
• printf("%d", d); invoca promociones de argumento predeterminadode este modo d se convierte en int y el valor (no negativo) se conserva (es decir, el int type puede representar todos los valores de unsigned char escribe).

^{1) suponiendo que int puede representar todos los valores de unsigned char (ver el comentario de TC a continuación), pero es muy probable que suceda de esta manera. Más específicamente, suponemos que INT_MAX >= UCHAR_MAX sostiene Típicamente el sizeof(int) > sizeof(unsigned char) las retenciones y el byte constan de ocho bits. De lo contrario, el c se convertiría en unsigned int (según la subcláusula C11 §6.3.1.1/p2), y el especificador de formato también debe cambiarse en consecuencia a %u para evitar obtener un UB (C11 §7.21.6.1/p9).}

char es ascendido a int en printf declaración antes de la operación ~ en segundo fragmento. Asi que ccual es

0000 0100 (2's complement)  

en binario se promociona a (suponiendo una máquina de 32 bits)

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100 // Say it is x  

y su complemento bit a bit es igual al complemento a dos del valor menos uno (~x = −x − 1)

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011  

cual es -5 en decimal en forma de complemento a 2.

Tenga en cuenta que la promoción predeterminada de char c a int también se realiza en

d = ~c;

antes de la operación de complemento, pero el resultado se convierte de nuevo a unsigned char como d es de tipo unsigned char.

C11: 6.5.16.1 Asignación simple (p2):

En asignación simple (=), el valor del operando derecho se convierte al tipo de la expresión de asignación y reemplaza el valor almacenado en el objeto designado por el operando izquierdo.

y

6.5.16 (p3):

El tipo de una expresión de asignación es el tipo que tendría el operando izquierdo después de la conversión de lvalue.

Para entender el comportamiento de su código, necesita aprender el concepto llamado ‘Promociones enteras’ (eso sucede en su código implícitamente antes de la operación bit a bit NO en un unsigned char operando) Como se menciona en el borrador del comité N1570:

§ 6.5.3.3 Operadores aritméticos unarios

4. el resultado de la ~ operador es el complemento bit a bit de su operando (promovido) (es decir, cada bit en el resultado se establece si y solo si el bit correspondiente en el operando convertido no está establecido). Las promociones enteras se realizan en el operando, y el resultado tiene el tipo promovido. Si el tipo promocionado es un ” ‘tipo sin firmar’, la expresión ~E es equivalente al valor máximo representable en ese tipo menos E“.

Porque unsigned char el tipo es más estrecho que (ya que requiere menos bytes) int tipo, – promoción de tipo implícita realizada por máquina abstracta (compilador) y valor de variable c es ascendido a int en el momento de la compilación (antes de la aplicación de la operación complemento ~). Es necesario para la correcta ejecución del programa porque ~ necesita un operando entero.

§ 6.5 Expresiones

4. Algunos operadores (el operador unario ~, y los operadores binarios <<, >>, &, ^y |descritos colectivamente como operadores bit a bit) se requiere que tengan operandos de tipo entero. Estos operadores generan valores que dependen de las representaciones internas de los enteros y tienen aspectos definidos por la implementación y no definidos para los tipos con signo.

Los compiladores son lo suficientemente inteligentes como para analizar expresiones, verificar la semántica de las expresiones, realizar verificación de tipos y conversiones aritméticas si es necesario. Esa es la razón por la que para aplicar ~ en char type no necesitamos escribir explícitamente ~(int)c – llamado conversión de tipo explícito (y evita errores).

Nota:

1. Valor de c es ascendido a int en expresión ~cpero tipo de c es todavía unsigned char – su tipo no lo hace. No se confunda.

2. Importante: consecuencia de ~ la operación es de int escriba!, verifique el código a continuación (no tengo vs-compiler, estoy usando gcc):

   #include<stdio.h>
   #include<stdlib.h>
   int main(void){
      unsigned char c = 4;
      printf(" sizeof(int) = %zu,\n sizeof(unsigned char) = %zu",
               sizeof(int),
               sizeof(unsigned char));
      printf("\n sizeof(~c) = %zu", sizeof(~c));        
      printf("\n");
      return EXIT_SUCCESS;
   }
   

   Compílalo y ejecuta:

   $ gcc -std=gnu99 -Wall -pedantic x.c -o x
   $ ./x
   sizeof(int) = 4,
   sizeof(unsigned char) = 1
   sizeof(~c) = 4
   

   Aviso: tamaño del resultado de ~c es igual que de intpero no es igual a unsigned char – consecuencia de ~ operador en esta expresión es int! que como se mencionó 6.5.3.3 Operadores aritméticos unarios

   3. El resultado de la unaria - operador es el negativo de su operando (promovido). Las promociones enteras se realizan en el operando, y el resultado tiene el tipo promocionado.

Ahora, como @haccks también explicó en su respuesta, ese resultado de ~c en una máquina de 32 bits y por valor de c = 4 es:

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011

en decimal es -5 – esa es la salida de su segundo código!

En tus primer códigouna línea más es interesante de entender b = ~c;porque b es un unsigned char variable y resultado de ~c es de int tipo, para acomodar el valor del resultado de ~c a b el valor del resultado (~c) es truncado para encajar en el tipo de carácter sin firmar como sigue:

    1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011  // -5 & 0xFF
 &  0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111  // - one byte      
    -------------------------------------------          
                                  1111 1011  

Equivalente decimal de 1111 1011 es 251. Podrías obtener el mismo efecto usando:

printf("\n ~c = %d", ~c  & 0xFF); 

o como lo sugiere @ouah en su respuesta usando casting explícito.

Al aplicar el ~ operador a c se promociona a intel resultado es un int también.

Después

• en el primer ejemplo, el resultado se convierte en unsigned char y luego promovido a signed int e impreso.
• en el segundo ejemplo, el resultado se imprime como signed int.

Da la op -5. ¿Por qué no funcionó?

En vez de:

printf("%d",~c);

usar:

printf("%d", (unsigned char) ~c);

para obtener el mismo resultado que en su primer ejemplo.

~ El operando se somete a la promoción de enteros y la promoción de argumentos predeterminada se aplica al argumento de las funciones variádicas.

Promoción de enteros, del estándar:

Si el tipo del operando con tipo entero con signo puede representar todos los valores del tipo del operando con tipo entero sin signo, el operando con tipo entero sin signo se convertirá al tipo del operando con tipo entero con signo.