淺談 Ｃ 語言的型態轉換

前言

最近公司專案導入 static code check tool 並且採用較嚴格的 coding rule 來檢查，團隊內不乏許多資深的工程師，但檢查出相當多型態轉換的問題，促使我想寫下這篇文章釐清 C 語言型態轉換的規則及可能的問題。

可能的安全問題

Ｃ語言包含不同的型態，不同型態之間做運算就會適用不同規則，這也是 C 語言型態轉換困難的地方，進行型態轉換，可能會發生以下問題是值得我們留意的

• loss of value: 如果今天我們將 integer 轉換到 char 型態，由於 int 型態大小遠大於 char，就會造成這種狀況
• loss of sign: 如果我們將 unsigned int 與 signed int 進行運算，原本 signed int 被迫轉換成 unsigned int，就會造成這種狀況
• loss of precision: 從 floating 型態轉換到 integer 型態
• loss of layout: 型態轉換發生在從 pointer to struct 到 pointer to char

型態轉換又分為兩種：

1. explicit conversion: 就是大家會在教科書上看到的 cast，開發者可以強制轉換任何資料的 data type。
2. implicit conversion: 這是大部分開發者都會疏忽的，由 compiler 來幫你轉換型態，以下會描述什麼情況下會發生 implicit conversion，我們並不需要牢記這些規則，但必須要在開發時候隨時留意。

implicit conversion

以下是以 C90 標準來介紹。

integral promotion

在一個 expression 中可以使用 integer 的地方，你也可以使用 enum，或 unsigned or signed 的 char、short、integer，但在這種狀況下就會發生 intergral promotion ，compiler 強制將這些資料轉換成 int(signed int) 或是 unsigned int。如果 integer 就可以表示上述這些類型，則轉換為 int 類型 ; 否則就用 unsigned int 來表示。這樣的轉換其實是為了符合 CPU 實際運作，我節錄以下來自 wikipedia 頁面的解釋：

表達式的整型運算要在CPU的相應運算器件內執行，CPU內整型運算器(ALU)的操作數的字節長度一般就是int的字節長度，同時也是CPU的通用暫存器的長度。因此，即使兩個char類型的相加，在CPU執行時實際上也要先轉換為CPU內整型操作數的標準長度。通用CPU（general-purpose CPU）是難以直接實現兩個8比特字節直接相加運算（雖然機器指令中可能有這種字節相加指令）。所以，表達式中各種長度可能小於int長度的整型值，都必須先轉換為int或unsigned int，然後才能送入CPU去執行運算。

unsigned char uc1 = '1';
int si1 = 1;
int si2 = si1 + uc1;    // uc1 會被 integral promotion 成 int

Usual arithmetic conversions

兩個不同型態的 data 進行運算（運算元 a + 運算元 b），Compiler 會執行 usual arithmetic conversion 以便讓 data 變為相同的 datatype 再進行運算，規則如下且依照順序來判斷：

1. 其中一個運算元是 long double，另外一個運算元會被轉成 long double。
2. 其中一個運算元是 double，另外一個運算元會被轉成 double。
3. 其中一個運算元是 float，另外一個運算元會被轉成 float。
4. 如果兩個運算元都是 integer 類 (integral promotion 已經發生在運算元上所以兩個運算元都是 integer)，下列規則有需要的話就會適用：
   1. 其中一個運算元是 unsigned long int，另外一個運算元會被轉成 unsigned long int。
   2. 其中一個運算元是 long int，另外一個運算元是 unsigned int。如果 long int 可以代表 unsigned int，則都轉成 long int；否則都轉成 unsigned long int。
   3. 其中一個運算元是 long int，另外一個運算元會被轉成 long int。
   4. 其中一個運算元是 unsigned int，另外一個運算元會被轉成 unsigned int。
   5. 兩個運算元都轉為 int。

unsigned int ui1 = 0;
unsigned char uc1 = '1';
/* 
 * uc1 先經過 integral promotion 變成 signed int，
 * signed int 的 uc1 又會透過 usual arithmetic conversions 轉換為 unsigned int
 */
unsigned int ui2 = ui1 + uc1;

Assignment

如果你 assign 值的時候等號兩邊型態不相等，會先把右邊的型態轉換成跟左邊一樣，再 assign 給左邊變數。

signed int si1 = 0;
unsigned int ui1 = si1  // si1 會被轉換為 unsigned int

最後用一個例子來展示以上三種 implicit conversion 同時發生的情況：

unsigned int ui1 = 0;
unsigned char uc1 = '0';
/*
 * uc1 透過 integral promotion 成為 signed int.
 * 再透過 usual arithmetic conversion 成為 unsigned int.
 * 最後由於 assignment 會被轉成 signed int 然後 assign 給 si1.
 */
signed int si1 = ui1 + uc1;