Char型別數值超出範圍，導致程式陷入死迴圈深入分析
一、問題
本段程式碼有什麼問題？如何修改？
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAX 255
main()
{
char p[MAX+1];
char ch;
for (ch=0;ch<=MAX;ch++)
{
p[ch]=ch;
cout<<ch<<" ";
}
cout<< ch<<" ";
}首先這段程式在執行時會陷入死迴圈，歸其原因是程式碼中“char數值問題”。具體分析如下。
1、char取值範圍
char型別佔一位元組（8位），取值範圍為-128到127。如何得到的取值範圍呢？具體如下：
由於數字在計算機中是以補碼形式表示，並且char型別為有符號數，則一位元組（8位）中的最高位為符號位。能表示的最大正數二進位制形式為“01111111”，由於正數補碼與原碼相同，其原碼同樣為“01111111”，對應十進位制為127；同理，能表示的最小負數二進位制形式為“10000000”，由於這是補碼形式，其原碼對應為“110000000”，對應十進位制為-128。
2、知道了char的取值範圍，回過頭看題目中程式碼的for迴圈語句，ch的取值從0到127這階段的迴圈語句都很正常。當ch=128時，由於超出char取值範圍，編譯器會將ch值變為-128，仍然滿足<=MAX條件，繼續執行迴圈，同時ch++
3、從以上分析中可以看出，“ch++”語句並沒有使ch值一直增加，相反ch值不斷在“-128到127”中迴圈變化，進而是“ch<=MAX”（MAX=255）永遠成立，程式陷入死迴圈。
下面，為了探究其根本原因，對程式進行除錯，從編譯器角度分析程式陷入死迴圈原因。
深入分析：
主要看程式中“for (ch=0;ch<=MAX;ch++)”和“p[ch]=ch;”語句的彙編程式碼：
for (ch=0;ch<=MAX;ch++)
0040116E mov byte ptr [ebp-104h],0
00401175 jmp main+35h (00401185)
00401177 mov al,byte ptr [ebp-104h]
0040117D add al,1
0040117F mov byte ptr [ebp-104h],al
00401185 movsx ecx,byte ptr [ebp-104h]
0040118C cmp ecx,0FFh
00401192 jg main+7Ch (004011cc)
{
p[ch]=ch;
00401194 movsx edx,byte ptr [ebp-104h]
0040119B mov al,byte ptr [ebp-104h]
004011A1 mov byte ptr [ebp+edx-100h],al
從p[0]到p[127]，一切都很正常。當執行ch++後ch=128 時，就會出現問題，繼續看彙編程式碼。
for (ch=0;ch<=MAX;ch++)
00401177 mov al,byte ptr [ebp-104h] //此時[ebp-104h]地址為0x13fe7c，對應資料為“0x7F”。
0040117D add al,1
0040117F mov byte ptr [ebp-104h],al //執行自增操作後，結果寫入記憶體[ebp-104h]地址處，也就是
說0x13fe7c處內容將變為“0x80”。
00401185 movsx ecx,byte ptr [ebp-104h] //將記憶體[ebp-104h]地址處內容符號擴充套件後傳入ecx暫存器。看下執行這條語句後ecx暫存器中內容：
對“0x80”進行符號擴充套件後變為“0xFFFFFF80”。這裡有必要對movsx進行下說明，
movsx:先符號位擴充套件，再傳送。以“0x80”為例，二進位制形式為“10000000”，符號擴充套件成32位後為“11111111111111111111111110000000”，十六進位制為“0xFFFFFF80”。與movsx相對的有movzx，movzx：先零擴充套件再傳送。
這時ecx暫存器中的資料其值的十進位制已變為-128。繼續往下看彙編程式碼。
{
p[ch]=ch;
0040118C cmp ecx,0FFh //-128確實小於255，執行迴圈體
00401194 movsx edx,byte ptr [ebp-104h] //同樣將將記憶體[ebp-104h]地址處內容符號擴充套件後傳入edx寄
存器。
0040119B mov al,byte ptr [ebp-104h]
004011A1 mov byte ptr [ebp+edx-100h],al //由於edx的內容為“-128”，此時[ebp+edx-100h]地址為
0x0013fe00。
寫入資料之後，程式再繼續往下執行，由於資料寫入的位置超出了程式之前給p[]申請的棧空間，而這部分記憶體空間之前的內容是cout函式地址。並且，在程式執行迴圈體中的“cout<<ch<<" "”程式碼時，會被用來儲存臨時資料，所以之前寫入的p[ch]值，在執行一次for迴圈後會被清除掉，且其地址處的內容會恢復到程式開始時存入的cout函式地址。
此時，ch=-128，繼續執行for迴圈，同時ch自增（ch++），ch的值會從-128變到0，之後程式又會正常地將p[ch]值從記憶體地址0x0013fe80處開始依次寫入，當ch增到127後，由於編譯器的movsx操作又會將ch值變為-128，陷入死迴圈。
總結：
從編譯器角度分析，出現這種迴圈的根本原因是，編譯器使用“movsx”操作傳值，由於ch是char型，當其值在0至127之間時，對應二進位制數最高位為0，也就是符號位為正，使用movsx符號擴充套件後仍然為正，並且高位用都用0填充。當ch值大於等於128時，對應二進位制最高位為1，也就是符號位為負，符號位擴充套件後仍然為負，並且高位都用1填充，這就是為什麼ch自增到128時，編譯器將將其值變為-128的根源。
二、問題進階
如前面所述，char範圍為-128至127，若將程式改成unsigned char型，還會陷入死迴圈嗎？修改後的程式碼：
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAX 255
main()
{
char p[MAX+1];
unsigned char ch; //修改成無符號char型
for (ch=0;ch<=MAX;ch++)
{
p[ch]=ch;
cout<<ch<<" ";
}
cout<< ch<<" ";
}for (ch=0;ch<=MAX;ch++)
0040116E mov byte ptr [ebp-104h],0
00401175 jmp main+35h (00401185)
00401177 mov al,byte ptr [ebp-104h]
0040117D add al,1
0040117F mov byte ptr [ebp-104h],al
00401185 mov ecx,dword ptr [ebp-104h]
0040118B and ecx,0FFh
00401191 cmp ecx,0FFh
00401197 jg main+86h (004011d6)
{
p[ch]=ch;
00401199 mov edx,dword ptr [ebp-104h]
0040119F and edx,0FFh
004011A5 mov al,byte ptr [ebp-104h]
004011AB mov byte ptr [ebp+edx-100h],al由於設定成unsigned char型別，此時ch取值範圍為0至255。在char版本中編譯器使用“movsx”進行符號擴充套件來限制char的取值範圍，而在unsigned char版本中編譯器只是確保unsigned char型別佔一位元組。
當ch=255時，
執行“00401185movecx,dword ptr [ebp-104h]” 後ecx暫存器儲存的是“0xCCCCCCFF”，
執行“0040118Bandecx,0FFh” 後 ecx暫存器儲存的是“0xFF”，判斷等於MAX 執行迴圈體內賦值程式碼，
執行到“00401199 mov edx,dword ptr [ebp-104h]” 後edx暫存器儲存的是“0xCCCCCCFF”，
執行“0040119F and edx,0FFh” 後edx暫存器儲存的是“0xFF”
執行到“004011AB mov byte ptr [ebp+edx-100h],al” 後[ebp+edx-100h]的地址為“0x0013ff7f”
此時[ebp-104h]處儲存的是“0xFF”，繼續執行下一輪for迴圈。
執行“00401177 mov al,byte ptr [ebp-104h]
0040117D add al,1
0040117F mov byte ptr [ebp-104h],al”程式碼後，[ebp-104h]處儲存資料將變為“0x00”，之後又會從ch=0開始執行for迴圈，程式再一次陷入死迴圈。
三、正確版本
其實，把char改為unsigned char後，還需要把for迴圈中的判斷語句改成ch<MAX即可。正確程式碼如下：
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAX 255
main()
{
char p[MAX+1];
unsigned char ch; //修改成無符號char型
for (ch=0;ch<MAX;ch++)
{
p[ch]=ch;
cout<<ch<<" ";
}
p[ch] = ch;
cout<< ch<<" ";
} 【注】本文目的在於通過一個題目的深入分析，瞭解編譯器在處理char與unsigned char的不同之處。就題目本身而言，修改方法很多，但通過本文的思維方式，可以深入到編譯器層面瞭解陷入死迴圈的根本原因。此篇內容是對《程式設計師面試寶典（第二版）》P.208 面試例題3的深入思考。