硬件如何知道一个变量是正数还是负数？

如何解决硬件如何知道一个变量是正数还是负数？

如果这个问题太基础，我很抱歉......我只是没有在任何地方找到答案。

假设我像这样声明了一个 C 变量：

unsigned int var = 241;

在这种情况下，var 是无符号的，所以我的目的是让它具有十进制值 241。

或者我可以这样声明：

signed int var = -15;

在这种情况下，我将其声明为有符号整数，因此根据我的理解，它应该具有十进制值 -15。

但是两次，我都假设 var 将在内存（硬件）中声明，如下所示： 1111 0001。

那么处理器如何知道，在硬件中的最低级别，我打算将其声明为 241 还是 -15？我知道用于表示负数等的二进制补码表示法，但是，我假设在硬件中，处理器只能看到一系列 1 和 0，然后通过切换某些 IC 的状态对其进行一些操作。处理器如何知道是解释标准二进制（无符号）还是 2 的补码（有符号）中的位序列？

还有一个有点不相关的问题：

在 C 中，我可以这样做：

unsigned int var = -15; printf("变量是：%d",var); 这将按预期打印 -15。为什么，当我这样做时：

有符号整数 var = 0xF1; //或0b11110001 printf("变量是：%d",var);

我得到 241 而不是 -15？既然我声明它是有符号的，并且在二进制补码中 0xF1 是 -15，为什么我得到的值 241 相当于标准二进制中的 0xF1？

为什么编译器让我做这样的事情： unsigned int var = -15;

它不应该抛出一个错误，告诉我我不能将负值赋给我声明为无符号的变量吗？

谢谢你，我为我的许多可能是基本的问题道歉，我不知道的太多了。

解决方法

硬件不知道。
编译器知道。
编译器知道，因为你在这里说过 signed int var = -15;，“亲爱的编译器，这是一个可以为负的变量，我将其初始化为负值。”
在这里，您换了一种说法 unsigned int var = 241;，“亲爱的编译器，这是一个不能为负的变量，我将其初始化为正值。”

编译器将记住这一点，以便您以后对变量及其值进行任何操作。编译器会将所有相应的代码转换为机器语言中的那组指令，这将导致硬件做出相应的行为。所以硬件最终会做一些适合消极或不适合的事情；不是因为知道，而是因为没有选择。

“相应指令”的一个有趣方面（正如 Peter Cordes 在下面的评论中指出的）是，对于负值的 2 补码表示的特殊（但非常广泛使用）情况，指令实际上是两者相同（这是 2-complement 的一个重要优势）。

如果两个值是 char（有符号或无符号），那么它们的内部表示（8 位模式）在内存或寄存器中将是相同的。唯一的区别在于编译器在处理这些值时发出的指令。例如，如果这些值存储在 signed 中声明为 unsigned 或 C 的变量中，那么这些值之间的比较将使编译器生成一个 signed 或无符号汇编级别的特定比较指令。

但在您的示例中，您使用了 int。假设在您的平台上这些 int 使用四个字节，那么当涉及到它们的 32 位模式时，您提供的两个常量并不相同。较高位会考虑值的符号并传播以填充 0 或 1 直至 32 位（请参阅下面的 0 或 f 序列）。

请注意，如果您使用正确的编译器标志（例如 unsigned int），则为 -Wconversion 分配负值会在编译时产生警告。在下面的评论中，@PeterCordes 提醒我们这样的赋值在 C 中是合法的，并且在某些情况下很有用；使用（或不）编译器标志来检测（或不）这种情况只是个人选择的问题。但是，分配 -15U 而不是 -15 明确表示将常量视为无符号（尽管有减号），并且不会触发警告。

int i1=-15;
int i2=0xF1;
int i3=241;
printf("%.8x %d\n",i1,i1); // fffffff1 -15
printf("%.8x %d\n",i2,i2); // 000000f1 241
printf("%.8x %d\n",i3,i3); // 000000f1 241
unsigned int u1=-15; // warning: unsigned conversion from ‘int’ to ‘unsigned int’ changes value from ‘-15’ to ‘4294967281’
unsigned int u2=0xF1;
unsigned int u3=241;
printf("%.8x %u\n",u1,u1); // fffffff1 4294967281
printf("%.8x %u\n",u2,u2); // 000000f1 241
printf("%.8x %u\n",u3,u3); // 000000f1 241