【C++】size_tのループが止まる・-1 < 1uが偽になる原因とは？｜符号なし整数の落とし穴を実測して、逆順ループとHP計算を安全に書く

▼s4_hp.cpp
#include <cstdio>

struct Enemy
{
    unsigned hp = 10;                 // HPを、符号なしにしてしまった
};

int main()
{
    Enemy e;
    unsigned damage = 15;

    e.hp = e.hp - damage;             // 10 - 15
    std::printf("ダメージ後の hp = %u\n", e.hp);

    if (e.hp <= 0)
    {
        std::printf("倒れた\n");
    }
    else
    {
        std::printf("まだ生きている\n");
    }
    return 0;
}

ダメージ後の hp = 4294967291
まだ生きている

▼s1_loop.cpp
#include <cstdio>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<int> v = { 10, 20, 30 };

    // 末尾から先頭へ、逆順に回したい
    int guard = 0;
    for (size_t i = v.size() - 1; i >= 0; --i)
    {
        std::printf("i = %zu\n", i);
        if (++guard >= 6)        // 止まらないので、6回で、強制的に打ち切る
        {
            std::printf("(止まらないので、打ち切った)\n");
            break;
        }
    }
    return 0;
}

i = 2
i = 1
i = 0
i = 18446744073709551615
i = 18446744073709551614
i = 18446744073709551613
(止まらないので、打ち切った)

▼s3_empty.cpp
#include <cstdio>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<int> v;         // 空

    std::printf("v.size() = %zu\n", v.size());
    std::printf("v.size() - 1 = %zu\n", v.size() - 1);

    if (v.size() - 1 > 0)
    {
        std::printf("「要素が2個以上ある」と判定された\n");
    }
    else
    {
        std::printf("「要素が1個以下」と判定された\n");
    }
    return 0;
}

v.size() = 0
v.size() - 1 = 18446744073709551615
「要素が2個以上ある」と判定された

▼s2_cmp.cpp
#include <cstdio>

int main()
{
    int      a = -1;
    unsigned b = 1;

    std::printf("a = %d, b = %u\n", a, b);
    std::printf("a < b ? %s\n", a < b ? "true" : "false");        // 数学的には、-1 < 1 で true のはず
    std::printf("-1 < 1u ? %s\n", -1 < 1u ? "true" : "false");

    // 符号付きを、符号なしに変換すると、どうなるか
    std::printf("(unsigned)a = %u\n", (unsigned)a);
    std::printf("(size_t)a   = %zu\n", (size_t)a);
    return 0;
}

s2_cmp.cpp
s2_cmp.cpp(9): warning C4018: '<': signed と unsigned の数値を比較しようとしました。

a = -1, b = 1
a < b ? false
-1 < 1u ? false
(unsigned)a = 4294967295
(size_t)a   = 18446744073709551615

▼s6_at.cpp
#include <cstdio>
#include <exception>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<int> v = { 10, 20, 30 };
    int i = -1;

    try
    {
        std::printf("v.at(%d) を呼ぶ\n", i);
        std::printf("%d\n", v.at(i));        // intの-1が、size_tに変換される
    }
    catch (const std::exception& e)
    {
        std::printf("例外: %s\n", e.what());
    }
    return 0;
}

v.at(-1) を呼ぶ
例外: invalid vector subscript

▼s5_fix.cpp
#include <cstdio>
#include <vector>

// 逆順に回す: 方法①  intにしてから回す
static void ReverseInt(const std::vector<int>& v)
{
    for (int i = (int)v.size() - 1; i >= 0; --i)
    {
        std::printf("%d ", v[i]);
    }
    std::printf("\n");
}

// 逆順に回す: 方法②  size_tのまま、「比べてから減らす」形にする
static void ReverseSizeT(const std::vector<int>& v)
{
    for (size_t i = v.size(); i-- > 0; )
    {
        std::printf("%d ", v[i]);
    }
    std::printf("\n");
}

// 逆順に回す: 方法③  逆向きイテレータ(範囲for文では書けないので、rbegin/rendを使う)
static void ReverseIter(const std::vector<int>& v)
{
    for (auto it = v.rbegin(); it != v.rend(); ++it)
    {
        std::printf("%d ", *it);
    }
    std::printf("\n");
}

int main()
{
    std::vector<int> full = { 10, 20, 30 };
    std::vector<int> empty;

    std::printf("[要素3個]\n");
    std::printf("  int      : "); ReverseInt(full);
    std::printf("  size_t   : "); ReverseSizeT(full);
    std::printf("  iterator : "); ReverseIter(full);

    std::printf("[空のvector]\n");
    std::printf("  int      : "); ReverseInt(empty);
    std::printf("  size_t   : "); ReverseSizeT(empty);
    std::printf("  iterator : "); ReverseIter(empty);

    // 「要素が2個以上あるか」は、引き算ではなく、そのまま比べる
    std::printf("empty.size() >= 2 ? %s\n", empty.size() >= 2 ? "true" : "false");
    return 0;
}

[要素3個]
  int      : 30 20 10 
  size_t   : 30 20 10 
  iterator : 30 20 10 
[空のvector]
  int      : 
  size_t   : 
  iterator : 
empty.size() >= 2 ? false

▼s7_ssize.cpp(/std:c++20)
#include <cstdio>
#include <iterator>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<int> v = { 10, 20, 30 };

    // C++20: std::ssize は、符号付きの個数を返す
    for (auto i = std::ssize(v) - 1; i >= 0; --i)
    {
        std::printf("%d ", v[i]);
    }
    std::printf("\n");

    std::vector<int> empty;
    std::printf("empty: std::ssize(empty) - 1 = %lld\n", (long long)(std::ssize(empty) - 1));
    return 0;
}

30 20 10 
empty: std::ssize(empty) - 1 = -1