操作无符号整数的注意事项-无符号整数

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源码中的数据类型

// 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. 
type uint8 uint8 
 
// uint16 is the set of all unsigned 16-bit integers. 
// Range: 0 through 65535. 
type uint16 uint16 
 
// uint32 is the set of all unsigned 32-bit integers. 
// Range: 0 through 4294967295. 
type uint32 uint32 
 
// uint64 is the set of all unsigned 64-bit integers. 
// Range: 0 through 18446744073709551615. 
type uint64 uint64 
 
// int8 is the set of all signed 8-bit integers. 
// Range: -128 through 127. 
type int8 int8 
 
// int16 is the set of all signed 16-bit integers. 
// Range: -32768 through 32767. 
type int16 int16 
 
// int32 is the set of all signed 32-bit integers. 
// Range: -2147483648 through 2147483647. 
type int32 int32 
 
// int64 is the set of all signed 64-bit integers. 
// Range: -9223372036854775808 through 9223372036854775807. 
type int64 int64 
 
// float32 is the set of all IEEE-754 32-bit floating-point numbers. 
type float32 float32 
 
// float64 is the set of all IEEE-754 64-bit floating-point numbers. 
type float64 float64

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论

先说一些关于无符号整形加减法的结论：

1.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

2.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>=被减数，则最终结果大于等于0

2.2 减数<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

[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 // !!! 加 -2 
    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13.2 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：

# 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，运算结果的最终类型会被转换为与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 
    } 
    ...... 
}

由于t、h的数值是一直在进行+1操作，会超过uint32的最大表示范围。

思考当 t、h溢出之后会怎么样?会有问题吗?