操作无符号整数的注意事项

ivansli2021-06-242023-10-31

在很多强类型编程语言中都会有一种特殊的类型——无符号整数类型，该数据类型在使用过程中往往稍不留意就会引发出乎意料的bug。
至于，有什么注意事项以及需要了解的知识点，一起来看看吧。

1. go源码中的无符号类型

// go源码位置: src/math/const.go
//
// Integer limit values.
const (
	MaxInt8   = 1<<7 - 1
	MinInt8   = -1 << 7
  
	MaxInt16  = 1<<15 - 1
	MinInt16  = -1 << 15
  
	MaxInt32  = 1<<31 - 1
	MinInt32  = -1 << 31
  
	MaxInt64  = 1<<63 - 1
	MinInt64  = -1 << 63
  
	MaxUint8  = 1<<8 - 1
	MaxUint16 = 1<<16 - 1
	MaxUint32 = 1<<32 - 1
	MaxUint64 = 1<<64 - 1
)


// go源码位置: src/builtin/builtin.go
//
// uint8 is the set of all unsigned 8-bit integers.
// Range: 0 through 255.
typeuint8uint8

// uint16 is the set of all unsigned 16-bit integers.
// Range: 0 through 65535.
typeuint16uint16

// uint32 is the set of all unsigned 32-bit integers.
// Range: 0 through 4294967295.
typeuint32uint32

// uint64 is the set of all unsigned 64-bit integers.
// Range: 0 through 18446744073709551615.
typeuint64uint64

// int8 is the set of all signed 8-bit integers.
// Range: -128 through 127.
typeint8int8

// int16 is the set of all signed 16-bit integers.
// Range: -32768 through 32767.
typeint16int16

// int32 is the set of all signed 32-bit integers.
// Range: -2147483648 through 2147483647.
typeint32int32

// int64 is the set of all signed 64-bit integers.
// Range: -9223372036854775808 through 9223372036854775807.
typeint64int64

// float32 is the set of all IEEE-754 32-bit floating-point numbers.
typefloat32float32

// float64 is the set of all IEEE-754 64-bit floating-point numbers.
typefloat64float64

从源码中可以看出：

无符号类型只有正数值域(最小值为0)，没有负数值域
有符号类型有正、负数值域
无符号类型正数值域数值个数是有符号类型正数值域数值个数的2倍

以 uint8 与 int8 为例
无符号类型 uint8 正数值域 0 ~ 255 共 256个数值
有符号类型 int8 正数值域 0 ~ 127 共 128个数值

2. 无符号类型与有符号类型的值域

可能你会问：相同长度的无符号、有符号类型，值域为什么是这样的分布？
看过计算机微机原理的同学大概都会略知一二，明白其缘由：

计算机只认识0、1，每个0、1被称为1个bit (bit是计算机中最小的单位)
计算机系统中所有的数值以及数据都使用0、1串组合存储
不同的0、1组合，由于使用不同编码、解码方式才被赋予了不同的含义，进而拥有了各种不同数据类型

就拿长度都是8 bit的无符号类型uint8与有符号类型int8来说：

uint8无符号类型的8个bit位都用来表示数值
int8有符号类型的8个bit中，只有后7个bit位用来表示数值。剩余的一个bit用来表示符号位，为0表示正数值，为1表示负数值。
在二进制中，1个bit长度之差造成的表达值域就是2倍

3. 无符号类型与有符号类型的加减法

先看一段代码：

func demo() {
	var a uint8 = 1
	var b uint8 = 2
	v1 := a - b
	fmt.Println("uint8 1-2=", v1)

	var c int8 = 1
	var d int8 = 2
	v2 := c - d
	fmt.Println("int8 1-2=", v2)

	fmt.Println("---------------")
	
	var e uint8 = math.MaxUint8
	var f uint8 = 1
	v3 := e + f
	fmt.Printf("uint8 255+1=%d  %T\n", v3, v3)

	var g int8 = math.MaxInt8
	var h int8 = 1
	v4 := g + h
	fmt.Printf("int8 127+1=%d %T\n", v4, v4)
}

聪明的你，猜下执行结果会是什么？

uint8 - v1 1-2= 255
int8 - v2 1-2= -1
---------------
uint8 - v3 255+1=0  uint8
int8 - v4 127+1=-128 int8

结果分析：

v3、v4在进行相加操作时，由于运算结果超出了对应的数值位长度而发生溢出，导致溢出的数据位无效
v2结果正确
v1不仅是本文重点之一，也会在很多场合中稍有不慎就导致严重bug

在网上看到的一个关于无符号整形减法产生的bug，如下图所示：

4. 关于无符号整形加减法的一些结果

先说一些关于无符号整形加减法的结论：

无符号整形进行加法操作时会像其他类型一样，在运算结果超出数值位时发生溢出
无符号整形进行减法操作时，运算结果有两种情况
2.1 减数大于等于被减数，则最终结果大于等于0
2.2 减数小于被减数，最终结果也大于等于0

关于无符号整形进行减法比较特殊，减数小于被减数时结果也大于等于0，是不是很意外。
总结一句话概括：无符号类型数值无论加减操作，其结果从不会小于0。

5. 无符号类型数值相减问题

Talk is cheap, show the code !

[root@localhost workspace]# cat -n t.go
     1 package main
     2
     3 import"fmt"
     4
     5 func main (){
     6 var a uint8 = 1
     7 var b uint8 = 2
     8	    v1 := a - b
     9
    10	    fmt.Println("uint8 - v1 1-2=", v1)
    11	}

第8行代码执行了两个uint8无符号类型减法操作，得到结果v1。

[root@localhost workspace]# go build -gcflags="-N -l -S" t.go
# command-line-arguments
"".main STEXT size=222 args=0x0 locals=0x80 funcid=0x0
	0x000000000 (/root/workspace/t.go:5)	TEXT	"".main(SB), ABIInternal, $128-0
	......
	0x002b00043 (/root/workspace/t.go:8)	MOVBLZX	"".a+54(SP), AX
	0x003000048 (/root/workspace/t.go:8)	ADDL	$-2, AX
	0x003300051 (/root/workspace/t.go:8)	MOVB	AL, "".v1+52(SP)
	0x003700055 (/root/workspace/t.go:10)	MOVB	AL, ""..autotmp_3+55(SP)

首先，要说明一点：在计算机中没有减法，只有加法操作（出乎你的意料）。
通过汇编代码可以看出 a-b 被转换成了a + (-b)，即 1-2 = 1+(-2)。
按理说1-2应该等于-1才对，这其中又发生了什么呢？

6. 负数的表达形式——补码

前面说过，计算机只认识二进制的0、1，2属于10进制的数值，10进制则可以看做是一种计算机上的编解码规则。那么，其对应的二进制又是什么呢？

func demo2() {
	var a, b, c uint8
	a = 1
	b = 2
	c = a + (-b)

	fmt.Printf(
		"a的二进制为：%08b \n"+
		"b的二进制为：%08b \n"+
		"-b的二进制为：%08b \n"+
		"c的二进制为：%08b \n"+
		"c的十进制为：%d", a, b, -b, c, c,
	)
}

执行结果为：

a的二进制为：00000001
b的二进制为：00000010
-b的二进制为：11111110
c的二进制为：11111111
c的十进制为：255

在计算机系统里面，数值有三种编码：原码、反码、补码。

反码、补码一般用于负数，反码=负数对应正数的原码取反，补码=反码+1
正数的原码、反码、补码一样
负数分两种情况：
3.1 对于有符号类型：负数的数值位使用补码表示，同时设置符号位为1
3.2 对于无符号类型：负数的数值位使用补码表示，由于无符号位，故无需设置符号位

由上文若干规则可知：

uint8 类型的 -b 对应的二进制为 11111110，uint8 类型 a 对应二进制为00000001
c=a+(-b)，则对应bit位相加为11111111
同类型相加结果还为同一类型，所以c仍然为uint8
由于无符号类型的值域不存在负数域，所以11111111转换为十进制为255

7. 一些疑惑

你是否跟我一样，存在一些疑惑？

无符号类型可以赋值为负数吗？

你可能会问：无符号类型既然永远不为负数，那么可以赋值为负数吗？

func demo3() {
	var a uint8
	a = -2

	fmt.Println(a)
}

执行结果：

1 2	# command-line-arguments ./main.go:59:4: constant -2 overflows uint8

通过报错信息可知，是无法给无符号类型赋值负数的。

无符号类型不可以赋值负数，为什么可以进行取负操作？

既然无符号类型不可以赋值为负数，为什么无符号类型可以取负操作？

func demo3() {
	var a uint8
	a = 2

	fmt.Println(-a)
}

可能你又会问：-a需要跟a类型一致才对，-a不能表示为无符号类型，为什么没报错呢？

[root@localhost workspace]# cat -n t.go
     1 package main
     2
     3 import"fmt"
     4
     5 func main (){
     6 var a1 uint8
     7	    a1 = 2
     8
     9	    fmt.Printf("%b\n", -a1)
    10	}


[root@localhost workspace]# go build -gcflags="-N -l -S" t.go
# command-line-arguments
"".main STEXT size=197 args=0x0 locals=0x80 funcid=0x0
	0x000000000 (/root/workspace/t.go:5)	TEXT	"".main(SB), ABIInternal, $128-0
	......
	0x002b00043 (/root/workspace/t.go:9)	MOVB	$-2, ""..autotmp_1+71(SP)
	0x003000048 (/root/workspace/t.go:9)	XORPS	X0, X0
	0x003300051 (/root/workspace/t.go:9)	MOVUPS	X0, ""..autotmp_2+80(SP)
	0x003800056 (/root/workspace/t.go:9)	LEAQ	""..autotmp_2+80(SP), AX
	0x003d00061 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	AX, ""..autotmp_4+72(SP)
	0x004200066 (/root/workspace/t.go:9)	TESTB	AL, (AX)
	0x004400068 (/root/workspace/t.go:9)	MOVBLZX	""..autotmp_1+71(SP), CX
	0x004900073 (/root/workspace/t.go:9)	LEAQ	type.uint8(SB), DX //!!! type.uint8对-2进行类型转换
	0x005000080 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	DX, ""..autotmp_2+80(SP)
	0x005500085 (/root/workspace/t.go:9)	LEAQ	runtime.staticuint64s(SB), DX
	0x005c00092 (/root/workspace/t.go:9)	LEAQ	(DX)(CX*8), CX
	0x006000096 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	CX, ""..autotmp_2+88(SP)
	0x006500101 (/root/workspace/t.go:9)	TESTB	AL, (AX)
	0x006700103 (/root/workspace/t.go:9)	JMP	105
	0x006900105 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	AX, ""..autotmp_3+96(SP)
	0x006e00110 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	$1, ""..autotmp_3+104(SP)
	0x007700119 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	$1, ""..autotmp_3+112(SP)
	0x008000128 (/root/workspace/t.go:9)	LEAQ	go.string."%b\n"(SB), CX
	0x008700135 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	CX, (SP)
	0x008b00139 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	$3, 8(SP)
	0x009400148 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	AX, 16(SP)
	0x009900153 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	$1, 24(SP)
	0x00a200162 (/root/workspace/t.go:9)	MOVQ	$1, 32(SP)
	0x00ab00171 (/root/workspace/t.go:9)	PCDATA	$1, $0
	0x00ab00171 (/root/workspace/t.go:9)	CALL	fmt.Printf(SB)

通过汇编可以看到，通过type.uint8(SB), DX对运算结果进行了类型转换。
因此，我们可以得出结论：-a是a与负号的一种运算，运算结果的类型会被转换为与a一致。

总结

本文通过若干示例，展示了无符号类型与有符号类型的差别和注意事项。
那么，什么时候用无符号类型，什么时候用有符号类型呢？

运算结果期待包含负数，则不能用无符号类型，此时最好使用有符号类型
运算结果不需要包含负数，并且希望类型的正数值域足够大，此时最好使用无符号类型
能不用无符号类型就少用无符号类型，减少bug产生！！！

其他特殊场景，如：在go语言runtime中GPM的逻辑处理器P结构上，P存储goroutine的本地队列头尾位置使用了无符号类型。

type p struct {
	......
	// Queue of runnable goroutines. Accessed without lock.
	runqhead uint32// 本地运行队列 头位置
	runqtail uint32// 本地运行队列 尾位置
	runq     [256]guintptr // 每个P可以有256个G
}

// runqput tries to put g on the local runnable queue.
// If next if false, runqput adds g to the tail of the runnable queue.
// If next is true, runqput puts g in the _p_.runnext slot.
// If the run queue is full, runnext puts g on the global queue.
// Executed only by the owner P.
// runqput把G放到p里。如果next为true，就放到下一个。否则就追加到队尾。如果队列满了，就放到全局队列。
func runqput(_p_ *p, gp *g, next bool) {
	h := atomic.Load(&_p_.runqhead) // load-acquire, synchronize with consumers
	t := _p_.runqtail
  
	// 放本地队列
	ift-h < uint32(len(_p_.runq)) {
		_p_.runq[t%uint32(len(_p_.runq))].set(gp)
		atomic.Store(&_p_.runqtail, t+1) // store-release, makes the item available for consumption
		return
	}
}