C의 정수 자료형과 형 변환

크기는 최소만 정해져 있다

C 표준은 정수 자료형의 정확한 크기를 정하지 않는다. 최소 크기와 대소 관계만 정한다. 그래서 같은 코드가 플랫폼에 따라 다른 범위를 갖는다.

자료형	표준이 보장하는 최소	LP64(리눅스·macOS 64비트)	LLP64(윈도 64비트)
`char`	8비트	8	8
`short`	16비트	16	16
`int`	16비트	32	32
`long`	32비트	64	32
`long long`	64비트	64	64
포인터	(규정 없음)	64	64

char가 부호 있는지도 구현마다 다르다. x86에서는 보통 signed char, ARM 리눅스에서는 unsigned char처럼 동작한다. 바이트 값을 다룰 때는 unsigned char를 명시한다. 각 자료형의 실제 범위는 <limits.h>의 INT_MAX, LONG_MIN 등으로 확인한다.

크기가 중요하면 고정 폭 정수

C99부터 <stdint.h>가 크기를 이름에 박은 자료형을 제공한다.

자료형	뜻
`int8_t` … `int64_t`, `uint8_t` … `uint64_t`	정확히 그 폭 (파일 포맷, 네트워크 프로토콜, 비트 조작)
`int_least32_t`, `int_fast32_t`	최소 그 폭 / 그 폭 이상 중 가장 빠른 것
`intptr_t`, `uintptr_t`	포인터를 담을 수 있는 정수
`intmax_t`	가장 큰 정수

printf로 출력할 때는 <inttypes.h>의 PRId64, PRIu32 매크로를 쓴다. %lld로 int64_t를 찍으면 long이 64비트인 플랫폼에서 경고가 난다.

size_t와 ssize_t

size_t는 sizeof 연산의 결과 타입이며, 그 플랫폼에서 가능한 가장 큰 객체의 크기를 담을 수 있는 부호 없는 정수다. 64비트 환경에서는 64비트, 32비트 환경에서는 32비트가 된다. strlen의 반환값, malloc·memset의 크기 인자처럼 "크기·길이·인덱스"에 쓴다. 출력 서식은 %zu다.

ssize_t는 POSIX가 정의한 부호 있는 버전이다. read·write가 "읽은 바이트 수, 실패하면 -1"을 돌려주려고 쓴다.

부호 없는 타입은 0 아래로 내려가면 최댓값으로 감긴다. for (size_t i = n - 1; i >= 0; i--)는 영원히 끝나지 않는다. 거꾸로 도는 루프는 for (size_t i = n; i-- > 0;)처럼 쓴다.

정수 승격과 산술 변환

C는 연산 전에 피연산자의 타입을 암묵적으로 바꾼다. 이 규칙을 모르면 "분명 unsigned char끼리 뺐는데 음수가 나오는" 일을 겪는다.

정수 승격(integer promotion): int보다 작은 타입(char, short, 비트 필드)은 연산에 쓰이기 전에 int로 바뀐다. int로 다 표현할 수 없으면 unsigned int로 바뀐다.
일반 산술 변환(usual arithmetic conversions): 승격 후 두 피연산자의 타입이 다르면 더 큰 쪽으로 맞춘다. 같은 순위에서 하나가 부호 없으면 부호 없는 쪽으로 맞춘다.

unsigned char a = 0, b = 1;
printf("%d\n", a - b);              /* -1: 둘 다 int로 승격된 뒤 계산 */
printf("%d\n", (unsigned char)(a - b)); /* 255: 결과를 다시 줄여야 감긴다 */
 
int i = -1;
unsigned int u = 1;
if (i < u) puts("never");           /* -1이 unsigned로 바뀌어 4294967295 < 1 → 거짓 */

부호 있는 값과 부호 없는 값을 비교하는 코드는 -Wextra의 -Wsign-compare 경고로 잡는다.

부호 확장

부호 있는 정수를 더 넓은 타입으로 바꿀 때는 부호 비트를 복사해 채운다(sign extension). 부호 없는 정수는 0으로 채운다(zero extension). 음수가 2의 보수로 저장되기 때문에 값이 보존된다. 2의 보수 자체는 데이터 표현에 있다.

int8_t  -2  :                     1111 1110
int32_t -2  : 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110   (부호 확장)
uint8_t 254 :                     1111 1110
uint32_t 254: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1110   (0 확장)

언제 넓히느냐가 결과를 바꾼다. INT_MIN의 절댓값을 long long으로 구할 때:

int n = INT_MIN;                 /* -2147483648 */
long long a = (long long)n * -1; /* 먼저 넓힌 뒤 곱함 → 2147483648 */
long long b = n * -1;            /* int끼리 곱해 오버플로(미정의 동작) → 넓혀도 늦음 */

오버플로: 부호 있는 쪽은 미정의 동작

타입	범위를 넘으면
부호 없는 정수	2ⁿ으로 나눈 나머지로 감긴다(wrap-around). 표준이 정의한 동작이다
부호 있는 정수	미정의 동작(undefined behavior). 감길 수도, 트랩될 수도, 컴파일러가 "일어나지 않는다"고 가정하고 코드를 지울 수도 있다

C23부터 부호 있는 정수는 2의 보수 표현이 표준으로 못 박혔지만, 오버플로가 미정의 동작인 점은 그대로다. 그래서 if (x + 1 < x) 같은 오버플로 검사는 최적화 과정에서 통째로 사라질 수 있다. 미리 범위를 확인하거나(if (x > INT_MAX - 1)), C23의 <stdckdint.h>에 있는 ckd_add(&r, a, b)(GCC·Clang의 __builtin_add_overflow)를 쓴다. atoi가 범위를 넘는 입력에 대해 동작이 정의되지 않는 것도 같은 이유라서, 문자열 변환은 strtol로 하고 errno와 범위를 확인한다.

주소를 16진수로 쓰는 이유

16진수 한 자리는 정확히 4비트다. 1바이트는 두 자리, 64비트 주소는 열여섯 자리로 깔끔하게 끊어져 비트 패턴을 읽기 쉽다. 주소는 %p로 출력하고, 정수로 다뤄야 하면 int가 아니라 uintptr_t로 바꾼다. 64비트 주소를 %d로 찍으면 하위 32비트만 잘려 음수처럼 보인다.

실수: 부동소수점과 고정소수점

float와 double은 IEEE 754 이진 부동소수점이라 0.1 같은 값을 정확히 담지 못한다. 0.1f를 열 번 더해도 1.0f와 같지 않다. 비교는 fabs(a - b) <= 허용 오차로 하되, 허용 오차를 값의 크기에 비례하게 잡아야 한다(FLT_EPSILON은 1.0 근처의 간격이다). NaN은 자기 자신과도 같지 않으므로 판별은 isnan(), 무한대는 isinf()로 한다. 부동소수점 함정 전반은 개발자가 빠지는 함정 모음에 있다.

고정소수점(fixed-point)은 정수의 일부 비트를 소수부로 약속해 쓰는 방법이다. 예를 들어 64비트 정수의 하위 32비트를 소수부로 두면, 상수 d로 나누는 연산을 미리 계산한 역수 (1 << 32) / d를 곱하고 32비트 오른쪽 시프트하는 것으로 바꿀 수 있다. 정수 곱셈은 나눗셈보다 몇 배 빠르다. 컴파일러는 상수 나눗셈을 이미 이런 식으로 바꿔 주므로, 직접 쓸 일은 나눗셈 제수가 실행 중에 정해지지만 여러 번 재사용될 때나 FPU가 없는 임베디드 환경 정도다.

정리

정수 크기는 플랫폼마다 다르다. 크기가 의미 있으면 <stdint.h>, 크기·인덱스는 size_t.
int보다 작은 타입은 연산 전에 int로 승격되고, 부호가 섞이면 부호 없는 쪽으로 맞춰진다.
넓히는 변환은 연산 전에 한다. 오버플로가 난 뒤에 넓히면 늦다.
부호 있는 정수 오버플로는 미정의 동작이다. 검사는 연산 전에, 또는 ckd_add 계열로 한다.

관련 노트: 데이터 표현, 컴퓨터 산술, C 기초, C의 역사와 표준

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