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当使用超过32次时,32位整数为什么不按预期工作,为什么不移位“<<”?

当我编写以下程序并使用GNU C++编译器时,输出是1,我认为这是由编译器执行的旋转操作引起的。

#include <iostream>

int main()
{
    int a = 1;
    std::cout << (a << 32) << std::endl;

    return 0;
}

但从逻辑上讲,正如所说的那样,如果位溢出位宽就会丢失,输出应为0.发生了什么?

代码在ideone上, http://ideone.com/VPTwj

57
AnkitSablok

这是由于C中未定义的行为和为IA-32处理器生成的代码在移位计数上应用了5位掩码这一事实引起的。这意味着在IA-32处理器上,移位计数的范围是 0-31 only。 1

来自The C programming language 2

如果右操作数为负数,或者大于或等于左表达式类型中的位数,则结果为undefined。

来自IA-32英特尔架构软件开发人员手册 3

8086不掩盖班次计数。但是,所有其他IA-32处理器(从Intel 286处理器开始)确实将移位计数屏蔽为5位,最大计数为31.此屏蔽在所有操作模式(包括虚拟8086模式)下完成减少指令的最大执行时间。



1 http://codeyarns.com/2004/12/20/c-shift-operator-mayhem/

2 A7.8移位运算符,附录A.参考手册,C编程语言

3 SAL/SAR/SHL/SHR - Shift,第4章指令集参考,IA-32英特尔架构软件开发人员手册

39
Ashwin Nanjappa

在C++中,如果将值移动的步长少于类型的大小,则只能很好地定义shift。如果int是32位,那么只有0到31,包括31步是明确定义的。

那么,这是为什么呢?

如果你看看执行移位的底层硬件,如果它只需要查看一个值的低五位(在32位的情况下),它可以使用比它必须检查更少的逻辑门来实现每一点价值。

在评论中回答问题

C和C++旨在在任何可用的硬件上尽可能快地运行。今天,生成的代码只是一个“移位”指令,无论底层硬件如何处理指定范围之外的值。如果语言已经指定了移位应该如何表现,则生成的可能必须在执行移位之前检查移位计数是否在范围内。通常,这将产生三个指令(比较,分支,移位)。 (不可否认,在这种情况下,由于移位计数已知,因此没有必要。)

43
Lindydancer

根据C++标准,它是未定义的行为:

E1 << E2的值是E1左移E2位位置;空位是零填充的。如果E1具有无符号类型,则结果的值为E1×2 ^ E2,比结果类型中可表示的最大值减少一个模数。否则,如果E1具有有符号类型和非负值,并且在结果类型中可以表示E1×2 ^ E2,那么这就是结果值; 否则,行为未定义

21
David Heffernan

Lindydancer和6502的答案解释了为什么(在某些机器上)恰好是正在打印的1(尽管操作的行为是未定义的)。我正在添加细节,以防它们不明显。

我假设(像我一样)你在英特尔处理器上运行程序。 GCC为班次操作生成以下汇编指令:

movl $32, %ecx
sall %cl, %eax

关于sall和其他移位操作的主题, 指令集参考手册中的第624页 表示:

8086不掩盖班次计数。但是,所有其他英特尔架构处理器(从英特尔286处理器开始)确实将移位计数屏蔽为5位,最大计数为31.此屏蔽在所有操作模式(包括虚拟8086模式)下完成,以减少指令的最长执行时间。

由于32的低5位为零,因此1 << 32等同于1 << 0,即1

尝试更大的数字,我们会预测

cout << (a << 32) << " " << (a << 33) << " " << (a << 34) << "\n";

会打印1 2 4,事实上这就是我的机器上发生的事情。

12
antonakos

它没有按预期工作,因为你期望太多。

在x86的情况下,硬件不关心计数器大于寄存器大小的移位操作(参见 x86参考文档中的SHL指令描述 用于解释)。

C++标准不希望通过告诉在这些情况下要做什么来增加额外成本,因为生成的代码将被迫为每个参数移位添加额外的检查和逻辑。

有了这种自由,编译器的实现者只需生成一个汇编指令而无需任何测试或分支。

例如,一个更“有用”和“逻辑”的方法是使(x << y)等效于(x >> -y),并且还处理具有逻辑和一致行为的高计数器。

然而,这需要更慢的位移处理,因此选择是做硬件所做的事情,让程序员需要为侧面情况编写自己的函数。

鉴于不同的硬件在这些情况下做了不同的事情,标准所说的基本上是“当你做奇怪的事情时发生什么,不要责怪C++,这是你的错”,翻译成法律术语。

9
6502

将32位变量移动32位或更多位是未定义的行为,并且可能导致编译器使守护进程从您的鼻子中飞出。

说真的,大部分时间输出都是0(如果int是32位或更少),因为你正在移动1直到它再次下降,只剩下0。但是编译器可以优化它以做任何它喜欢的事情。

查看优秀的LLVM博客条目 每个C程序员应该了解的未定义行为 ,每个C开发人员都必须阅读。

8
DarkDust

因为你将int移位32位;你会得到:VS中的warning C4293: '<<' : shift count negative or too big, undefined behavior这意味着你正在超越整数,答案可能是任何一个,因为它是未定义的行为。

5
Bob2Chiv

您可以尝试以下方法。这实际上在0左移后输出为32

#include<iostream>
#include<cstdio>

using namespace std;

int main()
{
  int a = 1;
  a <<= 31;
  cout << (a <<= 1);
  return 0;
}
0
Sandip Agarwal

我有同样的问题,这对我有用:

f =((long long)1 <<(i-1));

我可以是任何大于32位的整数。 1必须是64位整数才能使转换工作。

0
Pieter888