char 類型與補碼深度解析：為什麼 strlen 會返回 255？

char 類型與補碼深度解析：為什麼 strlen 會返回 255？

一段看似簡單的代碼，輸出卻令人驚訝：

char a[1000];
for (int i = 0; i < 999; i++)
    a[i] = -1 - i;
printf("%d\n", strlen(a)); // 輸出 255，而非 999！

現象還原

• char 範圍：-128 ~ 127（有符號，視編譯器實現）
• strlen 遇 \0 (值 0) 停止
• 迴圈執行 999 次，理應填滿 a[0]~a[998]
• 實際 strlen(a) == 255

逐步推演：補碼溢出與環繞

關鍵節點

1. i = 128：-129 超出 char 下界，高位丟棄，補碼變為 01111111 (127)
2. i = 128~255：值從 127 遞減至 0
3. i = 255：a[255] = 0 → 字符串結束標記
4. a[0]~a[254] 均非 0，strlen 計數 255 後遇 \0 停止

補碼複習：為什麼高位丟棄？

• 有符號 8 位整數範圍 -128 ~ 127
• -129 二進制需 9 位：1 01111111
• char 只有 8 位，截取低 8 位 01111111 = 127
• 這是溢出環繞，C 標準對有符號溢出屬未定義行為，但兩補碼機器上普遍表現為環繞

避坑指南

1. 明確 char 符號性：用 signed char / unsigned char 避免實現相關行為
2. 字符串操作用 unsigned char：避免負值被誤判為結束符
3. 數值運算勿用 char：用 int 計算，結果再截斷存入 char
4. 調試技巧：用 %hhd 打印 char 有符號值，%hhu 打印無符號值

延伸：為什麼 C 標準不固定 char 符號？

歷史原因：早期架構（如 ARM 預設 unsigned、x86 預設 signed）選擇不同，標準委會為了性能不強制統一。現代代碼永不假設 char 符號，需顯式指定。

這個例子生動展示了「類型範圍、補碼環繞、字符串結束符」三大概念的交互碰撞，是 C 語言底層特性的經典教學案例。