Wie wird der Schichtoperator in C ausgewertet?

Question 1

Ich habe kürzlich ein (seltsames) Verhalten festgestellt, als ich Operationen mit Schicht durchgeführt habe >> <<!

Um es zu erklären, lassen Sie mich diesen kleinen ausführbaren Code schreiben, der zwei Operationen ausführt, die identisch sein sollen (nach meinem Verständnis), aber ich bin mit unterschiedlichen Ergebnissen überrascht!

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned char a=0x05, b=0x05;

    // first operation
    a = ((a<<7)>>7);

    // second operation
    b <<= 7;
    b >>= 7;

    printf("a=%X b=%X\n", a, b);
    return 0;
}

Als lief, a = 5 und b = 1. Ich erwarte, dass beide gleich 1 sind! Kann mir jemand freundlicherweise erklären, warum ich ein solches Ergebnis erhalten habe?

PS: In meinem Umfeld die Größe von unsigned char ist 1Byte

Question 2

Im ersten Beispiel:

a wird in ein umgewandelt intnach links, dann nach rechts verschoben und dann wieder in umgewandelt usigned char.

Dies führt zu a=5 offensichtlich.

Im zweiten Beispiel:

b umgewandelt wird intnach links verschoben und dann wieder in umgewandelt unsigned char.
b umgewandelt wird intnach rechts verschoben und dann wieder in umgewandelt unsigned char.

Der Unterschied besteht darin, dass Sie im zweiten Beispiel während der Konvertierung Informationen verlieren unsigned char

Question 3

Ausführliche Erläuterung der Vorgänge zwischen den Zeilen:

Fall a:

Im Ausdruck a = ((a<<7)>>7);, a<<7 wird zuerst ausgewertet.
Der C-Standard besagt, dass jeder Operand der Shift-Operatoren implizit ganzzahlig hochgestuft wird, was bedeutet, dass sie, wenn sie vom Typ bool, char, short usw. sind (zusammen die “kleinen ganzzahligen Typen”), zu einem hochgestuft werden int.

Dies ist bei fast allen Operatoren in C Standard. Stattdessen hat das Ergebnis einer Verschiebung immer den Typ des hochgestuften linken Operanden. In diesem Fall int.
So a wird zum Typ befördert int, die noch den Wert 0x05 enthält. Das 7 literal war bereits vom Typ int wird also nicht gefördert.
Als du gegangen bist, verschiebe das int bei 7 erhalten Sie 0x0280. Das Ergebnis der Operation ist vom Typ int.

Beachten Sie, dass int ist ein vorzeichenbehafteter Typ. Hätten Sie die Daten also weiter in die Vorzeichenbits verschoben, hätten Sie ein undefiniertes Verhalten hervorgerufen. Wäre entweder der linke oder der rechte Operand ein negativer Wert gewesen, würden Sie ebenfalls ein undefiniertes Verhalten hervorrufen.
Sie haben jetzt den Ausdruck a = 0x280 >> 7;. Für den nächsten Schiebevorgang finden keine Weiterleitungen statt, da beide Operanden bereits int sind.
Das Ergebnis ist 5 und vom Typ int. Sie wandeln dieses int dann in ein Zeichen ohne Vorzeichen um, was in Ordnung ist, da das Ergebnis klein genug ist, um hineinzupassen.

Fall b:

b <<= 7; ist äquivalent zu b = b << 7;.
Wie vorher, b wird zu einem befördert int. Das Ergebnis ist wieder 0x0280.

Sie versuchen dann, dieses Ergebnis in einem unsigned char zu speichern. Es wird nicht passen, also wird es abgeschnitten, um nur das niederwertigste Byte zu enthalten 0x80.
In der nächsten Zeile, b wird wieder zu einem int befördert, das 0x80 enthält.
Und dann verschieben Sie 0x80 um 7 und erhalten das Ergebnis 1. Dies ist vom Typ int, kann aber in ein Zeichen ohne Vorzeichen passen, sodass es in b passt.

Guter Rat:

Verwenden Sie niemals bitweise Operatoren für vorzeichenbehaftete Integer-Typen. Dies macht in 99% der Fälle keinen Sinn, kann aber zu verschiedenen Fehlern und schlecht definiertem Verhalten führen.
Wenn Sie bitweise Operatoren verwenden, verwenden Sie die Typen in stdint.h anstelle der primitiven Standardtypen in C.

Wenn Sie bitweise Operatoren verwenden, verwenden Sie explizite Umwandlungen in den beabsichtigten Typ, um Fehler und unbeabsichtigte Typänderungen zu verhindern, aber auch, um deutlich zu machen, dass Sie tatsächlich verstehen, wie implizite Typumwandlungen funktionieren, und dass Sie nicht nur den Code zum Laufen gebracht haben ausversehen.

Eine bessere und sicherere Art, Ihr Programm zu schreiben, wäre gewesen:

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>    

int main(void) {
    uint8_t a=0x05;
    uint8_t b=0x05;
    uint32_t tmp;

    // first operation
    tmp = (uint32_t)a << 7;
    tmp = tmp >> 7;
    a = (uint8_t)tmp;

    // second operation
    tmp = (uint32_t)b << 7;
    tmp = tmp >> 7;
    b = (uint8_t)tmp;

    printf("a=%X b=%X\n", a, b);
    return 0;
}

Question 4

Die Verschiebungsoperationen würden ganzzahlige Beförderungen zu ihren Operanden und in Ihrem Code das Ergebnis machen int wieder umgewandelt wird char so was:

// first operation
a = ((a<<7)>>7); // a = (char)((a<<7)>>7);

// second operation
b <<= 7; // b = (char) (b << 7);
b >>= 7; // b = (char) (b >> 7);

Zitat aus dem N1570-Entwurf (der später zum Standard von C11 wurde):

6.5.7 Bitweise Verschiebungsoperatoren:

Jeder der Operanden muss vom Typ Integer sein.

Die ganzzahligen Heraufstufungen werden an jedem der Operanden durchgeführt. Der Typ des Ergebnisses ist der des heraufgestuften linken Operanden. Wenn der Wert des rechten Operanden negativ oder größer oder gleich der Breite des heraufgestuften linken Operanden ist, ist das Verhalten nicht definiert.

Und es wird vermutet, dass es in C99 und C90 ähnliche Aussagen gibt.