C语言中有符号数和无符号数的问题

C语言中有符号数和无符号数的问题

项目说明

    考虑下列代码， 这段代码试图计算数组a中所有元素的和， 其中元素的数量由参数length给出：

 /* WARNING: This is buggy code */
 float sum_elements(float a[ ], unsigned length){
     int i;
     float result = 0;
     for (i=0; i<=length-1; i++)
         result += a[i];
     return result;
 }

1. 请分析这段程序，当参数length等于0时， 运行这段代码应该返回的值是多少？
2. 运行这段代码，当参数length等于0时，实际会产生什么结果？
3. 请解释你的实际运行的结果产生的原因。
4. 修改代码以得出正确的结果。

项目报告

问题1：分析这段程序，当参数length等于0时， 运行这段代码应该返回的值是多少？

我们可以看一下该程序代码的流程图：

    很容易分析当length等于0时，for循环中i<=length-1条件不成立，循环体内的语句不会执行，该函数应该返回的result的初始值0。

问题2：运行这段代码，当参数length等于0时，实际会产生什么结果？

    我们在不同的编译器下运行了此段代码：

 #include <stdio.h>
 float sum_elements(float a[], unsigned length)
 {
     unsigned i;
 	 float result = 0;
 	 for (i = 0; i <=length-1; i++)
 		 result += a[i];
 	 return result;
 }

 int main()
 {
     float a[] = {1.7, 2.6, 4.1};
	 float ret = sum_elements(a, 0);
	 printf("%.lf", ret);
	 return 0;
 }

结果如下：

1. 使用远古编译器Turbo C运行此程序，Compile时没有报错，Run时黑屏无结果，并显示 cpu speed max 100% cycles,Frameskip 0,Program TC。CPU占用100%。
   
2. 使用Dev c++ GCC 4.8.1编译运行此程序，没有产生警告，进程停止，命令行显示Process exited with return value 3221225477。
3. 使用Microsoft Visual Studio 2012/2017编译运行此程序，程序虽然运行成功，但并没有得到正确的运行结果，程序运行了几秒钟后在命令行上输出请按任意键继续的结果，并在控制台区报出警告：warning C4018: “<=”: 有符号/无符号不匹配。我们对float ret = sum_elements(a, 0);代码打断点进行程序调试，弹出提示框，显示0x011E14F3 处有未经处理的异常(位于 PBL.exe 中): 0xC0000005: 读取位置 0x0200000 时发生访问冲突。
   
4. 使用中国大学MOOC浙江大学的网页编译器运行此程序，编译器报错：
   Error:Memory space at 0x100004(object ‘*(a+1)’) is not initialized
   Result += a[i];

问题3：请解释你的实际运行的结果产生的原因。

    经查阅资料知，C语言中在有符号类型和无符号类型数据之间测试相性时，编译器会隐性地将有符号的int类型升级为无符号的unsigned int类型。
    回到本题中，在执行语句i<=length-1时，因为length是unsigned int类型，所以参与运算的参数都被隐式地被强制转换为unsigned int类型。在主函数中，通过执行float ret = sum_elements(a, 0);语句，使得形参length=0，运算length-1 = 0-1 = -1，-1转换成 unsigned int 的结果是一个非常巨大的正整数的，这就是实际运行结果产生的原因。
    接着，我们来分析一下这个巨大的正整数，要知道整数在计算机中通常是以二进制补码的形式存在的，而-1的无符号补码（以32位为例）为0xFFFFFFFF，这是32位无符号整数能表示的最大值：2³²-1，即4294967296。因为2³²-1足够大，所以我们尝试将代码float ret = sum_elements(a, 0);中的0改为0xFFFFFFF在Microsoft Visual Studio 2012上进行程序调试运行，得到的结果和没有修改前的结果是一样的。
    所以我们得出结论，运行该程序报错或者得不到运行结果的原因是执行从0到0xFFFFFFFF的循环时，数组下标越界，内存读写异常，在vs 2012/2017等较新的编译器中，并没有出现错误，而Turbo c中没有检测机制，会输出了-NAN的运行结果，经过查阅是不可表示的值。

问题4：修改代码以得出正确的结果。

    通过分析代码错误的产生原因，经小组讨论，共得到4组代码：

• 代码1

// 把unsigned 修改成有符号数int
float sum_elements(float a[ ], int length)
{
   int i;
   float result = 0;
   for (i=0;i<=length-1;i++)
   	result +=a[i];
   return result;
}

• 代码2

// 提前判断length是否为0，如果是直接return result;
float sum_elements(float a[ ], unsigned length)
{
   int i;
   float result = 0;
   if(length <= 0)
       return  result;
   for (i=0;i<=length-1;i++)
   	   result +=a[i];
   return result;
}

• 代码3

//把 i<=length-1改成 i
float sum_elements(float a[ ], unsigned length)
{
   int i;
   float result = 0;
   for (i=0;i<length;i++)
       result +=a[i];
   return result;
}

• 代码4

// 使用强制类型转换 i<=(int)length-1
float sum_elements(float a[ ], unsigned length)
{
  int i;
  float result = 0;
  for (i=0;i<(int)length-1;i++)
      result +=a[i];
  return result;
}

    新人发文，欢迎大家批评指正！