2.1.2. Преобразование типов

Тип объекта определяет данные, которые он может содержать, и операции, которые с ним можно выполнять. Среди операций, поддерживаемых множеством типов, есть возможность преобразовать (convert) объект данного типа в другой, связанный тип.

Преобразование типов происходит автоматически, когда объект одного типа используется там, где ожидается объект другого типа. Более подробная информация о преобразованиях приведена в разделе 4.11, а пока имеет смысл понять, что происходит при присвоении значения одного типа объекту другого.

Когда значение одного арифметического типа присваивается другому

bool b = 42;          // b содержит true

int i = b;            // i содержит значение 1

i = 3.14;             // i содержит значение 3

double pi = i;        // pi содержит значение 3.0

unsigned char с = -1; // при 8-битовом char содержит значение 255

signed char c2 = 256; // при 8-битовом char значение c2 не определено

происходящее зависит от диапазона значении, поддерживаемых типом.

• Когда значение одного из не логических арифметических типов присваивается объекту типа bool, результат будет false, если значением является 0, а в противном случае — true.

• Когда значение типа bool присваивается одному из других арифметических типов, будет получено значение 1, если логическим значением было true, и 0, если это было false.

• Когда значение с плавающей точкой присваивается объекту целочисленного типа, оно усекается до части перед десятичной точкой.

• Когда целочисленное (интегральное) значение присваивается объекту типа с плавающей точкой, дробная часть равна нулю. Если у целого числа больше битов, чем может вместить объект с плавающей точкой, то точность может быть потеряна.

• Если объекту беззнакового типа присваивается значение не из его диапазона, результатом будет остаток от деления по модулю значения, которые способен содержать тип назначения. Например, 8-битовый тип unsigned char способен содержать значения от 0 до 255 включительно. Если присвоить ему значение вне этого диапазона, то компилятор присвоит ему остаток от деления по модулю 256. Поэтому в результате присвоения значения -1 переменной 8-битового типа unsigned char будет получено значение 255.

• Если объекту знакового типа присваивается значение не из его диапазона, результат оказывается не определен. В результате программа может сработать нормально, а может и отказать или задействовать неверное значение.

Совет. Избегайте неопределенного и машинно-зависимого поведения

Результатом неопределенного поведения являются такие ошибки, которые компилятор не обязан (а иногда и не в состоянии) обнаруживать. Даже если код компилируется, то программа с неопределенным выражением все равно ошибочна.

К сожалению, программы, характеризующиеся неопределенным поведением на некоторых компиляторах и при некоторых обстоятельствах, могут работать вполне нормально, не проявляя проблему. Но нет никаких гарантий, что та же программа, откомпилированная на другом компиляторе или даже на следующей версии данного компилятора, продолжит работать правильно. Нет даже гарантий того, что, нормально работая с одним набором данных, она будет нормально работать с другим.

Аналогично в программах нельзя полагаться на машинно-зависимое поведение. Не стоит, например, надеяться на то, что переменная типа int имеет фиксированный, заранее известный размер. Такие программы называют непереносимыми (nonportable). При переносе такой программы на другую машину любой полагающийся на машинно-зависимое поведение код, вероятней всего, сработает неправильно, поэтому его придется искать и исправлять. Поиск подобных проблем в ранее нормально работавшей программе, мягко говоря, не самая приятная работа.

Компилятор применяет эти преобразования типов при использовании значений одного арифметического типа там, где ожидается значение другого арифметического типа. Например, при использовании значения, отличного от логического в условии, арифметическое значение преобразуется в тип bool таким же образом, как при присвоении арифметического значения переменной типа bool:

int i = 42;

if (i) // условие рассматривается как истинное

 i = 0;

При значении 0 условие будет ложным, а при всех остальных (отличных от нуля) — истинным.

К тому же при использовании значения типа bool в арифметическом выражении оно всегда преобразуется в 0 или 1. В результате применение логического значения в арифметическом выражении является неправильным.

Выражения, задействующие беззнаковые типы

Хотя мы сами вряд ли преднамеренно присвоим отрицательное значение объекту беззнакового типа, мы можем (причем слишком легко) написать код, который сделает это неявно. Например, если использовать значения типа unsigned и int в арифметическом выражении, значения типа int обычно преобразуются в тип unsigned. Преобразование значения типа int в unsigned выполняется таким же способом, как и при присвоении:

unsigned u = 10;

int i = -42;

std::cout << i + i << std::endl; // выводит -84

std::cout << u + i << std::endl; // при 32-битовом int,

                                 // выводит 4294967264

Во втором выражении, прежде чем будет осуществлено сложение, значение -42 типа int преобразуется в значение типа unsigned. Преобразование отрицательного числа в тип unsigned происходит точно так же, как и при попытке присвоить это отрицательное значение объекту типа unsigned. Произойдет "обращение значения" (wrap around), как было описано выше.

При вычитании значения из беззнакового объекта, независимо от того, один или оба операнда являются беззнаковыми, следует быть уверенным том, что результат не окажется отрицательным:

unsigned u1 = 42, u2 = 10;

std::cout << u1 - u2 << std::endl; // ok: результат 32

std::cout << u2 - u1 << std::endl; // ok: но с обращением значения

Тот факт, что беззнаковый объект не может быть меньше нуля, влияет на способы написания циклов. Например, в упражнениях раздела 1.4.1 (стр. 39) следовало написать цикл, который использовал оператор декремента для вывода чисел от 10 до 0. Написанный вами цикл, вероятно, выглядел примерно так:

for (int i = 10; i >= 0; --i)

 std::cout << i << std::endl;

Казалось бы, этот цикл можно переписать, используя тип unsigned. В конце концов, мы не планируем выводить отрицательные числа. Однако это простое изменение типа приведет к тому, что цикл никогда не закончится:

// ОШИБКА: u никогда не сможет стать меньше 0; условие

// навсегда останется истинным

for (unsigned u = 10; u >= 0; --u)

 std::cout << u << std::endl;

Рассмотрим, что будет, когда u станет равно 0. На этой итерации отображается значение 0, а затем выполняется выражение цикла for. Это выражение, --u, вычитает 1 из u. Результат, -1, недопустим для беззнаковой переменной. Как и любое другое значение, не попадающее в диапазон допустимых, это будет преобразовано в беззнаковое значение. При 32-разрядном типе int результат выражения --u при u равном 0 составит 4294967295.

Исправить этот код можно, заменив цикл for циклом while, поскольку последний осуществляет декремент прежде (а не после) отображения значения:

unsigned u = 11; // начать цикл с элемента на один больше

                 // первого, подлежащего отображению

while (u > 0) {

 --u; // сначала декремент, чтобы последняя итерация отобразила 0

 std::cout << u << std::endl;

}

Цикл начинается с декремента значения управляющей переменной цикла. В начале последней итерации переменная u будет иметь значение 1, а после декремента мы отобразим значение 0. При последующей проверке условия цикла while значением переменной u будет 0, и цикл завершится. Поскольку декремент осуществляется сначала, переменную u следует инициализировать значением на единицу больше первого подлежащего отображению значения. Следовательно, чтобы первым отображаемым значением было 10, переменную u инициализируем значением 11.

Внимание! Не смешивайте знаковые и беззнаковые типы

Выражения, в которых смешаны знаковые и беззнаковые типы, могут приводить к удивительным результатам, когда знаковое значение оказывается негативным. Важно не забывать, что знаковые значения автоматически преобразовываются в беззнаковые. Например, в таком выражении, как a * b, если а содержит значение -1, a b значение 1 и обе переменные имеют тип int, ожидается результат -1. Но если переменная а имеет тип int, а переменная b — тип unsigned, то значение этого выражения будет зависеть от количества битов, занимаемых типом int на данной машине. На нашей машине результатом этого выражения оказалось 4294967295.

Упражнения раздела 2.1.2

Упражнение 2.3. Каков будет вывод следующего кода?

unsigned u = 10, u2 = 42;

std::cout << u2 - u << std::endl;

std::cout << u - u2 << std::endl;

int i = 10, i2 = 42;

std::cout << i2 - i << std::endl;

std::cout << i - i2 << std::endl;

std::cout << i - u << std::endl;

std::cout << u - i << std::endl;

Упражнение 2.4. Напишите программу для проверки правильности ответов. При неправильных ответах изучите этот раздел еще раз.