C中的“(i<<3)>>3”的问题及解析

      偶然在写位输出函数时发现了“（i<<3）>>3”这个问题，下面我贴一段代码使问题更加清晰：

unsigned char i = -1;
i = (i<<3)>>3;

printf("%u\n",i);

      按照正常思维，结果应该是31。因为8个1，向左移3位再移回来，左边3位应该补0。注意这里用的是unsigned char，向右移位才是逻辑移位。但程序运行时，输出的结果却是255。跟没有移位一样！

      难道是编译器智商太高了，认为左移后又移回来这种傻事只有傻子才会做，于是给精简掉了？当下用的是VS2008自带的编译器，还用的是Debug模式，于是换了INTEL和MINGW最新版编译器重新编译，发现结果都一样。还是255！

      这种感觉就跟突然间发现1＋1不等于2一样，真是让人郁闷。郁闷归郁闷，问题还是得解决，（略去N次GOOGLE……）换了几个数据类型试了试，发现unsigned int就没事！unsigned int移位后，结果确实是左边3个比特位由1变成0了。问题越发诡异，还是看看编译器把这句移位编译成啥东西了，如下：

; 10   :     i = (i<<3)>>3;
 
  00022    0f b6 45 fb     movzx     eax, BYTE PTR _i$[ebp]
  00026    c1 e0 03     shl     eax, 3
  00029    c1 f8 03     sar     eax, 3
  0002c    88 45 fb     mov     BYTE PTR _i$[ebp], al

      本段汇编的movzx使用是在意料之中的，movzx的填充方式是：恒用0来填充目的操作数的高位数据位。unsigned char移入32位CPU数据寄存器EAX的确应该首位全补0（原值有符号用movsx，原值无符号用movzx）。但，发现问题没有？右移居然使用的是sar汇编指令，算术右移sar把目的操作数的高位向低位移，空出的高位用最高位(符号位)填补。前面说过了，unsigned char应是逻辑右移。问题先放这，来看看数据类型改为unsigned int后生成的汇编：

; 10   :     i = (i<<3)>>3;
 
  00025    8b 45 f8     mov     eax, DWORD PTR _i$[ebp]
  00028    c1 e0 03     shl     eax, 3
  0002b    c1 e8 03     shr     eax, 3
  0002e    89 45 f8     mov     DWORD PTR _i$[ebp], eax

      本段汇编使用mov，因为当前的数据类型unsigned int，直接塞入寄存器即可。但sar指令换成了shr指令，这次使用的是逻辑移位了。

      是什么导致这种情况发生呢？下面来看看C权威书籍《C程序设计语言 － 第二版》中咋说的。（中文版，P173 A.6.1）整形提升：如果原始类型的所有值都可用int类型表示，则其值将被转换为int类型；否则将被转换为unsigned int。将要进行位操作的变量为unsigned char时，编译器把unsigned char类型提升为int了，于是由无符号类型变成有符号类型，众所周知，有符号类型右移操作为算术右移，于是汇编代码中便生成了sar算术右移指令。

      这样“（i<<3）>>3”问题就解决了，

• 当变量数据类型为unsigned char时，编译器进行整形提升，将其提升为int。下面进行左移3，右移3操作。由于unsigned char仅为8位长，在32位寄存器中（向左补位）扩展为32位长。此时进行左移时，左移3位根本无法将位于寄存器“最右端”的“unsigned char中的任何一位”移出寄存器。然后进行右移操作，执行算术右移，将在寄存器左端补符号位，由于此时提升后的int为正数，符号位为0，寄存器数据右移3位前面全部补0。位移操作完毕，结果与位移前相同。然后，赋值给unsigned char型的i，截取末尾8位，i在寄存器里玩一圈儿又回来啦～
• 当变量数据类型为unsigned int时，编译器不进行整型提升，直接塞寄存器里，满满的32个1呀！此时左移3位，左边3个1没了。然后右移3位，由于是无符号型，执行逻辑右移，补上3个0。这就跟想象中的一样了。

      这个操作即使改成“（i<<27）>>27”也达不到目的，词句只能将寄存器塞满1而已。需要使用“（（unsigned char）（i<<3））>>3”才能正常移位。说通用点，正确的做法应该是“（（i的数据类型）（i<<3））>>3”，或者使用类型与i相同的中间变量缓存下i<<3的值，再对中间变量>>3。

题外话：通过对比“（（unsigned char）（i<<3））>>3”在VC编译器（VS2008）和INTEL编译器下的编译结果（均DEBUG），发现VC用了2个寄存器，而INTEL的仅用1个寄存器。反映出INTEL的编译器编码质量比VC的高。