C++中 int n = 0ULL - 1; 是 UB 未定义行为吗？
好的，我们来详细聊聊 C++ 中 `int n = 0ULL 1;` 这行代码是否是未定义行为 (Undefined Behavior, UB)。
首先，我们来拆解一下这行代码：
1. `int n`: 声明了一个整型变量 `n`。在 C++ 中，`int` 的大小和表示范围取决于具体的平台和编译器，但通常是一个有符号的整型。
2. `0ULL`: 这是一个整型字面量，`ULL` 后缀表示它是一个 `unsigned long long` 类型。`unsigned long long` 是 C++ 中最大的无符号整型类型。它的值是 0。
3. ` 1`: 这是对 `0ULL` 进行减法操作，减去整数 1。
4. `=`: 将减法运算的结果赋值给变量 `n`。
核心问题：涉及类型转换和运算
关键在于 `0ULL 1` 这个表达式。这里涉及到不同类型的运算。C++ 在进行涉及不同算术类型的表达式时，会遵循一套称为“算术转换” (usual arithmetic conversions) 的规则。
算术转换规则简述：
当二元运算符（如 ``）作用于两个不同算术类型时，会进行一系列转换，使得两个操作数具有相同的类型，然后执行运算。转换的原则是提升到“更宽”或“更通用”的类型。
在 `0ULL 1` 中，`0ULL` 是 `unsigned long long` 类型，而 `1` 是一个 `int` 类型（默认情况下，整型字面量如果能被 `int` 表示，就是 `int`）。
根据 C++ 的算术转换规则，`int` 会被提升到 `unsigned long long` 类型。所以，表达式实际执行的是 `0ULL static_cast(1)`。
关键点：无符号整数的溢出
现在，我们来看 `0ULL 1` 在 `unsigned long long` 类型下会发生什么。
`unsigned long long` 是一个无符号类型。
无符号整数的算术运算（加法、减法）在发生溢出时，其行为是明确定义的，而不是未定义行为。
无符号整数溢出的规则是“模运算”（modulo arithmetic）。也就是说，结果会“绕回”。
对于 `unsigned long long`，其范围是从 0 到 `ULLONG_MAX` (通常是 $2^{64}1$)。
当 `0ULL` 减去 `1` 时，根据模运算的规则：
`0 1` 在 `unsigned long long` 域中，相当于 `(0 + ULLONG_MAX + 1) 1`。
结果会是 `ULLONG_MAX`。
换句话说，`0ULL 1` 的结果是 `unsigned long long` 类型能够表示的最大值。
赋值给 `int` 的问题
表达式 `0ULL 1` 的结果是 `ULLONG_MAX`，这是一个 `unsigned long long` 类型的值。然后，这个值被赋值给一个 `int` 类型的变量 `n`。
这里又涉及到赋值转换 (assignment conversion)。当一个值被赋值给一个类型不同的变量时，会发生转换。
如果 `ULLONG_MAX` 的值能够被 `int` 表示（即在 `int` 的表示范围内），那么它会被直接转换过去。
但是，`ULLONG_MAX` 通常远远大于 `int` 的最大值。 `int` 是有符号的，它的最大值通常是 $2^{31}1$ (对于 32 位 `int`) 或 $2^{63}1$ (对于 64 位 `int`)。而 `ULLONG_MAX` 可是 $2^{64}1$。
当一个无符号值被转换为有符号类型时，如果该值不能被该有符号类型表示，其行为就是未定义行为。
具体到 `0ULL 1` 的结果是 `ULLONG_MAX`，将其赋值给 `int n`：
`ULLONG_MAX` 是一个非常大的无符号整数。
`int` 是一个有符号整数。
`ULLONG_MAX` 的值肯定超出了 `int` 所能表示的最大正数。
因此，将 `ULLONG_MAX` 这个值赋值给 `int n`，会导致 未定义行为 (Undefined Behavior)。
为什么是 UB？
C++ 标准规定，当一个值被转换为目标有符号类型，而这个值（在目标类型看来）太大或太小而无法表示时，行为是未定义的。这意味着：
编译器可以发出任何它喜欢的代码。
程序可能崩溃。
程序可能产生一个看似合理的值，但这个值不一定是你期望的（例如，一个负数，或者一个非常大的负数）。
程序在不同的编译器、不同的编译选项下，甚至在同一编译器的不同版本下，表现都可能不同。
总结
`int n = 0ULL 1;` 这行代码：
1. `0ULL 1` 在 `unsigned long long` 类型下计算，根据无符号整数的模运算规则，结果是 `ULLONG_MAX`。这个计算本身不是 UB。
2. 将 `ULLONG_MAX` 这个 `unsigned long long` 类型的值赋值给 `int n`。由于 `ULLONG_MAX` 远远超出了 `int` 的表示范围，这个赋值转换是未定义行为 (Undefined Behavior)。
举个例子来帮助理解：
假设我们有一个名为 `unsigned_byte` 的类型，它的范围是 0 到 255。
如果我们写 `unsigned_byte ub = 0;`
然后 `ub 1;`，根据模运算，这会得到 255。这个计算是明确定义的。
现在，如果我们有一个 `signed_byte` 类型，范围是 128 到 127。
如果我们写 `signed_byte sb;`
然后 `sb = ub 1;`
也就是 `sb = 255;`
因为 255 超出了 `signed_byte` 的表示范围（它不能表示 255 这个正数），这就会是 UB。
在 `int n = 0ULL 1;` 这个例子中，`0ULL 1` 产生 `ULLONG_MAX`，这个值对于 `int` 来说“太大了”。
避免 UB 的方式：
如果你想进行这样的操作，并确保行为是可预测的，你需要：
1. 明确转换类型：
```c++
// 如果你想得到 1，但要明确知道这是UB，或者有其他处理
int n = static_cast(static_cast(1)); // 这里的 static_cast(1) 实际上也会是 ULLONG_MAX
// 更直接的是，如果你知道目标是 1
int n = 1;
```
2. 检查范围：
在赋值前检查 `ULLONG_MAX` 是否在 `int` 的范围内，但这通常是个非常多余的操作，因为 `ULLONG_MAX` 几乎不可能在 `int` 范围内。
结论：
是的，`int n = 0ULL 1;` 是未定义行为 (UB)。这是因为将一个超出了 `int` 表示范围的无符号值（即 `ULLONG_MAX`）赋值给 `int` 类型的变量。
首先，我们来拆解一下这行代码：
1. `int n`: 声明了一个整型变量 `n`。在 C++ 中，`int` 的大小和表示范围取决于具体的平台和编译器，但通常是一个有符号的整型。
2. `0ULL`: 这是一个整型字面量，`ULL` 后缀表示它是一个 `unsigned long long` 类型。`unsigned long long` 是 C++ 中最大的无符号整型类型。它的值是 0。
3. ` 1`: 这是对 `0ULL` 进行减法操作，减去整数 1。
4. `=`: 将减法运算的结果赋值给变量 `n`。
核心问题：涉及类型转换和运算
关键在于 `0ULL 1` 这个表达式。这里涉及到不同类型的运算。C++ 在进行涉及不同算术类型的表达式时，会遵循一套称为“算术转换” (usual arithmetic conversions) 的规则。
算术转换规则简述：
当二元运算符（如 ``）作用于两个不同算术类型时，会进行一系列转换，使得两个操作数具有相同的类型，然后执行运算。转换的原则是提升到“更宽”或“更通用”的类型。
在 `0ULL 1` 中，`0ULL` 是 `unsigned long long` 类型，而 `1` 是一个 `int` 类型（默认情况下，整型字面量如果能被 `int` 表示，就是 `int`）。
根据 C++ 的算术转换规则，`int` 会被提升到 `unsigned long long` 类型。所以，表达式实际执行的是 `0ULL static_cast
关键点：无符号整数的溢出
现在，我们来看 `0ULL 1` 在 `unsigned long long` 类型下会发生什么。
`unsigned long long` 是一个无符号类型。
无符号整数的算术运算（加法、减法）在发生溢出时，其行为是明确定义的，而不是未定义行为。
无符号整数溢出的规则是“模运算”（modulo arithmetic）。也就是说，结果会“绕回”。
对于 `unsigned long long`，其范围是从 0 到 `ULLONG_MAX` (通常是 $2^{64}1$)。
当 `0ULL` 减去 `1` 时，根据模运算的规则：
`0 1` 在 `unsigned long long` 域中，相当于 `(0 + ULLONG_MAX + 1) 1`。
结果会是 `ULLONG_MAX`。
换句话说，`0ULL 1` 的结果是 `unsigned long long` 类型能够表示的最大值。
赋值给 `int` 的问题
表达式 `0ULL 1` 的结果是 `ULLONG_MAX`，这是一个 `unsigned long long` 类型的值。然后，这个值被赋值给一个 `int` 类型的变量 `n`。
这里又涉及到赋值转换 (assignment conversion)。当一个值被赋值给一个类型不同的变量时，会发生转换。
如果 `ULLONG_MAX` 的值能够被 `int` 表示（即在 `int` 的表示范围内），那么它会被直接转换过去。
但是，`ULLONG_MAX` 通常远远大于 `int` 的最大值。 `int` 是有符号的，它的最大值通常是 $2^{31}1$ (对于 32 位 `int`) 或 $2^{63}1$ (对于 64 位 `int`)。而 `ULLONG_MAX` 可是 $2^{64}1$。
当一个无符号值被转换为有符号类型时，如果该值不能被该有符号类型表示，其行为就是未定义行为。
具体到 `0ULL 1` 的结果是 `ULLONG_MAX`，将其赋值给 `int n`：
`ULLONG_MAX` 是一个非常大的无符号整数。
`int` 是一个有符号整数。
`ULLONG_MAX` 的值肯定超出了 `int` 所能表示的最大正数。
因此，将 `ULLONG_MAX` 这个值赋值给 `int n`，会导致 未定义行为 (Undefined Behavior)。
为什么是 UB？
C++ 标准规定，当一个值被转换为目标有符号类型，而这个值（在目标类型看来）太大或太小而无法表示时，行为是未定义的。这意味着：
编译器可以发出任何它喜欢的代码。
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程序可能产生一个看似合理的值，但这个值不一定是你期望的（例如，一个负数，或者一个非常大的负数）。
程序在不同的编译器、不同的编译选项下，甚至在同一编译器的不同版本下，表现都可能不同。
总结
`int n = 0ULL 1;` 这行代码：
1. `0ULL 1` 在 `unsigned long long` 类型下计算，根据无符号整数的模运算规则，结果是 `ULLONG_MAX`。这个计算本身不是 UB。
2. 将 `ULLONG_MAX` 这个 `unsigned long long` 类型的值赋值给 `int n`。由于 `ULLONG_MAX` 远远超出了 `int` 的表示范围，这个赋值转换是未定义行为 (Undefined Behavior)。
举个例子来帮助理解：
假设我们有一个名为 `unsigned_byte` 的类型，它的范围是 0 到 255。
如果我们写 `unsigned_byte ub = 0;`
然后 `ub 1;`，根据模运算，这会得到 255。这个计算是明确定义的。
现在，如果我们有一个 `signed_byte` 类型，范围是 128 到 127。
如果我们写 `signed_byte sb;`
然后 `sb = ub 1;`
也就是 `sb = 255;`
因为 255 超出了 `signed_byte` 的表示范围（它不能表示 255 这个正数），这就会是 UB。
在 `int n = 0ULL 1;` 这个例子中，`0ULL 1` 产生 `ULLONG_MAX`，这个值对于 `int` 来说“太大了”。
避免 UB 的方式：
如果你想进行这样的操作，并确保行为是可预测的，你需要：
1. 明确转换类型：
```c++
// 如果你想得到 1，但要明确知道这是UB，或者有其他处理
int n = static_cast
// 更直接的是，如果你知道目标是 1
int n = 1;
```
2. 检查范围：
在赋值前检查 `ULLONG_MAX` 是否在 `int` 的范围内，但这通常是个非常多余的操作，因为 `ULLONG_MAX` 几乎不可能在 `int` 范围内。
结论：
是的，`int n = 0ULL 1;` 是未定义行为 (UB)。这是因为将一个超出了 `int` 表示范围的无符号值（即 `ULLONG_MAX`）赋值给 `int` 类型的变量。
网友意见
首先结论：没有未定义行为， C++20 起保证得到 -1 ， C++20 前结果为实现定义，但所有已知实现都得到 C++20 起保证的结果。
0ULL - 1 这个表达式中先进行通常算术转换：两边类型分别为 unsigned long long 与 int ，转换到公共类型 unsigned long long 。然后进行无符号整数的算术运算，这里有模算术，结果是 unsigned long long 类型的最大值。定义中最后是转换到 int 。这一步操作从 C++20 起变为唯一定义：整数值转换到宽度为 W 位的另一整数类型值，结果为目标类型中与源类型对 2^W 同余的唯一值。于是结果即 int 类型的 -1 。
C++20 前结果为实现定义（见后述），而已知实现上均得到与 C++20 规则一致的结果。
C++20 起限制了有符号整数必须用补码表示，并且从范围外的值转换到有符号整数类型必须遵循上述规则（等价于截断二进制表示）。之前这两点是实现定义，但已知的 C++ 实现均遵循这些规则（ C 的有例外）。
C++20 中确实有关于 UB 的相关改动：减少了有符号整数左移未定义的情况（可以粗略认为变得与无符号整数左移“等价”了）。不过这就与本问题无关了。
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