为什么18446744073709551615 == -1

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前言

以下是我发现这个问题的过程，如果仅需要查看问题的原理，请跳过该部分

在我们使用C++ string时，可能会有这样的写法

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main()
{
	string s("abcdef");
	if (s.find("g") == string::npos)
	{
		cout << "没找到!" << endl;
	}
	return 0;
}

运行结果如下：

那么，这个string::npos究竟是什么呢？
依据资料显示如下：

我们可以从以上内容中得到以下信息：

string::npos 是

• string 类中的一个静态常量成员
• 是 size_t 类型的最大值
• 意义是 没有匹配项 或者 已经达到字符串末尾
• 常量定义为 -1 ,由于 size_t 是无符号整型，所以它也可表示 size_t 最大值。

因此，我们可以对 string::npos 的值进行输出

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main()
{
	cout << string::npos << endl;
	return 0;
}

结果如下：

由此，我们得到了第一个数字 ： 18446744073709551615
然而，依据定义， string::npos 的值应该是常量值 -1
那么，这两个值是否相等呢？
我们可以写出以下代码：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	if (18446744073709551615 == -1)
	{
		cout << "equal!" << endl;
	}
	return 0;
}

而结果恰恰证明了我们的猜想，这两个看似毫不相干的值居然是相等的。

那么，这是为什么呢？

原理

18446744073709551615的本质

在上面的关于 string::npos 的定义中，我们可以知道， string::npos 的类型为 size_t
由于不同厂商对 size_t 类型的实现可能不一样，因此，我们需要先知道 size_t 的本质究竟是什么类型。
我们可以写出以下代码：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	cout << typeid(size_t).name() << endl;
	return 0;
}

在我的VS编译器中，它返回了这样的结果，告诉我们 size_t 的类型为 unsigned __int64 ，即最多能表示 2^64 个整数的无符号整型值，即 unsigned long long
我们可以通过以下代码验证：

#include <iostream>
#include <limits>

using namespace std;

int main()
{
	cout << ULLONG_MAX << endl;//ULLONG 即unsigned long long
	return 0;
}

输出结果正是这串熟悉的数字： 18446744073709551615
由此，我们可以确定这串数字正是一个unsigned long long类型的数，即可确定它在内存中的存储
十六进制：

ff ff ff ff  ff ff ff ff

二进制：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111  1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

-1的本质

那么 -1 在内存中如何存储呢？
既然是一个负数，我们就应该先看其正数的原码（1的原码）
十六进制：

00 00 00 00  00 00 00 01

二进制：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001

但-1实际上是负数，因此对上面的内容求反码（取反）
十六进制：

ff ff ff ff  ff ff ff fe

二进制：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111  1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110

最后我们得到 -1 的补码
十六进制：

ff ff ff ff  ff ff ff ff

二进制：

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111  1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

最终的结果

此时我们发现， -1 和 18446744073709551615 在内存中的存储居然一模一样。
现在它们的不同只剩下它们的类型不同，一个是有符号，一个是无符号。
然而，在 C++ 比较大小时，编译器会将有符号值转换为无符号值，然后进行比较，最后就得到了这个看似很荒谬的结果。

总结

此时，我们可以发现 -1 和 18446744073709551615 这两个数相等的本质其实是它们在内存中存储的数据相同，而在 C++ 比较大小时，编译器将有符号值转换成了无符号值，最终导致了这两个值相等。

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写在最后

其实，18446744073709551615 这个数字也可能在 vector容器的size()对象中出现，譬如以下代码：

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v;
	cout << v.size() - 1 << endl;
	return 0;
}

本质上也是vector容器目前没有元素 v.size() == 0 所造成的，它的返回值同样是 size_t 类型的，此时对其进行 -1 操作，也会发生上面的现象，将 -1 按照无符号值存入了内存，成为了unsigned long long的最大值，即 2^64 -1

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如果你有更好的想法与思路，欢迎在评论区友好讨论，希望我的这篇文章能够抛砖引玉。感谢你的阅读。