C++浮点与整型提升详解

在对象大小与 sizeof 运算符 中，我们指出 C++ 对每种基本类型都规定了最小位宽，而其真实大小可随编译器及目标架构而异。

此灵活性旨在让 int 与 double 等类型能够被设定为在特定架构上性能最优的位宽。例如，32 位计算机通常一次可处理 32 位数据；此时，int 多半被设为 32 位，因为这正是该 CPU 的“自然”数据宽度（也往往是最快的情形）。

提示
数据类型所用的比特数称为其宽度。更宽的类型占更多位，更窄的类型占更少位。

当 32 位 CPU 需要修改一个 8 位值（如 char）或 16 位值时，会发生什么？部分 32 位处理器（如 32 位 x86）可直接操作 8 位或 16 位数据，但速度往往低于 32 位操作；另一些 32 位 CPU（如 32 位 PowerPC）只能操作 32 位数据，必须借助额外技巧来处理更窄的值。

数值提升（numeric promotion）

为在多种架构上兼顾可移植性与性能，C++ 语言设计者不愿假设 CPU 必然能高效处理小于其“自然”数据宽度的值。为此，C++ 定义了一类称为数值提升的类型转换：将某些较窄的数值类型（如 char）转换为较宽且 CPU 能有效处理的类型（通常为 int 或 double）。

所有数值提升均为保值转换（value-preserving conversion，又称安全转换），即源类型的任何可能值都能在目标类型中得到相等值。由于提升是安全的，编译器会按需自动执行且不会给出警告。

数值提升减少冗余
数值提升还解决了另一难题。假设我们要写一个打印 int 的函数：

#include <iostream>

void printInt(int x)
{
    std::cout << x << '\n';
}

若不存在类型转换，为了也能打印 short 或 char，就得再为 short 写一个函数，再为 char 写一个……还得顾及 unsigned char、signed char、unsigned short、wchar_t、char8_t、char16_t、char32_t，很快就会失控。

数值提升拯救了我们：只需编写参数为 int 和/或 double 的函数（如上例的 printInt），即可用任何可被数值提升到这些类型的实参来调用。

数值提升的分类

数值提升规则分为两大类：整型提升（integral promotions）与浮点提升（floating point promotions）。仅列于这两类的转换才被视作数值提升。

浮点提升

较为简单：
根据浮点提升规则，类型 float 的值可转换为类型 double。
因此，可以编写接受 double 的函数，并用 double 或 float 实参调用：

#include <iostream>

void printDouble(double d)
{
    std::cout << d << '\n';
}

int main()
{
    printDouble(5.0);   // 无需转换
    printDouble(4.0f);  // float → double 数值提升
    return 0;
}

第二次调用时，float 字面量 4.0f 被提升为 double，使实参类型与形参匹配。

整型提升
规则更为复杂。按整型提升规则，可进行以下转换：

• signed char 或 signed short → int
• unsigned char、char8_t、unsigned short → int（若 int 能容纳该类型全部取值范围），否则 → unsigned int
• 若 char 默认为 signed，则遵循 signed char 规则；若默认为 unsigned，则遵循 unsigned char 规则
• bool → int，false 变 0，true 变 1

在 8 位字节且 int 至少 4 字节的常见环境下，上述规则意味着 bool、char、signed char、unsigned char、signed short、unsigned short 均被提升为 int。

另有少量更少见的整型提升规则，可参阅 cppreference 相关章节。

多数情况下，我们可编写参数为 int 的函数，并用多种整型实参调用：

#include <iostream>

void printInt(int x)
{
    std::cout << x << '\n';
}

int main()
{
    printInt(2);

    short s{ 3 };      // 无 short 字面量后缀，用变量演示
    printInt(s);       // short → int 数值提升

    printInt('a');     // char → int 数值提升
    printInt(true);    // bool → int 数值提升

    return 0;
}

有两点值得注意：

1. 在某些架构（如 int 仅 2 字节）上，部分无符号整型可能被提升为 unsigned int 而非 int。
2. 某些较窄的无符号类型（如 unsigned char）可能被提升为较宽的有符号类型（如 int）。因此，整型提升虽保值，却不一定保留符号性（signed/unsigned）。

并非所有加宽转换都是数值提升

某些加宽转换（如 char → short 或 int → long）在 C++ 中不被视为数值提升，而被归为数值转换（numeric conversions，将在 10.3 课讨论）。原因在于这些转换并不能帮助把较小类型转换为 CPU 更高效处理的大类型。

这一区别多数情况下仅属学术范畴。然而，在特定情形下，编译器会优先选择数值提升而非数值转换。我们将在 11.3 课 —— 函数重载决议与二义性匹配 中看到相关示例。