在C++中使用有符号数作为容器下标

C++创始人Bjarne Stroustrup针对此问题发表了一些观点（见参考资料1），其中对比了两种方案的优势和劣势，会在下文中详细展开讲讲。

支持使用无符号 unsigned 容器下标和容器大小的理由如下：

• 自1996年开始的STL实现中就一直在使用无符号数。
  
• 容器大小不可能为负数。
  

支持使用有符号 signed 容器下标和容器大小的理由如下：

• 整数计算的结果大部分都是有符号数。
  
• 在C和C++中，无符号数并不能模拟自然数。
  

Bjarne的最终观点是：

• 在 std::span 中使用有符号数作为容器下标是有意这样设计的。
  
• 在最初的STL中使用无符号数 unsigned 是错误的，并且应该最终被修正过来。
  

当初在STL中使用无符号数的原因：

• 容器 std::vector 的下标并不能为负数，所以使用 unsigned 是比较明显的
  
• 无符号数拥有更大的范围，这样我们就能拥有更大容量的 std::vector ，这在16位机器上比较重要。
  
• 检查下标有效性时只需要检查一侧，因为无符号数并不会小于0。
  

但是经过这些年的使用，Bjarne也听到了一些不同的声音

• C++的无符号数用起来比较奇怪，因为它无法模拟自然数。无符号数具有模运算特性，并且将无符号数与有符号数进行转换时容易出现意外情况。
  
• 即使在最早版本的STL中 std::vector 的最大允许范围 max_size() 也是有符号数的最大值。我们并不需要那点额外的范围了。
  
• 在现代处理器中，检查 x>=0 && x<max 并不会比 x<max 慢很多。因为有指令流水线的存在，检查两个条件可以放在不同的流水线中同时计算出结果。
  

混用无符号数和有符号数非常容易引起混淆和bug。然而，在以下两种情况会容易出现有符号数和无符号数的混用。

• 当某个参数只有是非负数才有意义。
  
• 在循环中使用的变量。
  

在下面的这种情况

// calculate area
unsigned area(unsigned x, unsigned y) {
  return x * y;
}
auto a = area(height1-height2, length1-length2);

当 height1 < height2 时，就会导致异常情况出现，而此时编译器并不会产生编译警告，只有在运行时才会触发此问题。这主要是由于无符号数的模运算特性导致的。

在 for 循环中使用无符号数也有很多种容易出错的情况

for (int i = 0; i < v.size(); ++i) {
	v[i] = 7;	
}

混用了有符号数和无符号数，这样容易出错。

for (std::vector<int>::size_type i = 0; i < v.size(); ++i) {
	v[i] = 7;
}

改成这样就能避免问题了，但是对于STL专家来讲，为什么要将容器中数据类型放在 for 循环中呢。

for (std::vector<decltype(v[0])>::size_type i = 0; i < v.size(); ++i) {
	v[i] = 7;
}

下面的写法也非常容易出错，因为 i 是无符号数，所以终止条件判断会永远成立，这个循环是一个无限循环。

for (size_t i = n - 1; i >= 0; --i) {
	// ...
}

• modular arithmetic - 模算术
  

是一种整数的算术系统，其中数字超过一定值后（称为模或余数）后会“卷回”到较小的数值。

• EWG - Evolution Working Group
  

C++ EWG 是 C++ 标准委员会的 Evolution Working Group，负责 C++ 标准的演化和改进。EWG 由来自世界各地的 C++ 专家组成，他们定期召开会议来讨论 C++ 标准的改进建议。

EWG 的目标是使 C++ 语言更加现代、安全、高效和易于使用。EWG 已经提出了许多改进建议，这些建议已经被纳入 C++ 标准的最新版本中。

1. open std - paper p1428
   
2. wikipedia - modular arithmetic
   

（全文完）