C++中cout输出18446744073709551615异常值原因咨询

#include <iostream>

using namespace std;

int countChars(string s1, string s2) {

  int a = 0, result = 0, i = 0;
  for(i =0; i<s1.size(); i++) {
    if(a == s2.size()) {
      break;
    }
    if(s1.at(i) == s2.at(a)) {
      a++;
    } else {
      result++;
    }
  }

  cout << (s2.size() - a - 1) << "\n";
  result += (s1.size()-i + s2.size()-a-1);

  return result;
}

int main() {
  cout << countChars("madame", "madam");
}

运行上述代码时，控制台先后输出18446744073709551615、0两个结果，核心疑问为cout << (s2.size() - a - 1) << "\n";语句输出超大数值的技术原因。

• std::string::size()的返回值类型是size_t，这是无符号整数类型，64位环境下通常对应8字节长度的unsigned long long，取值范围为0 ~ 2^{64-1，数值18446744073709551615恰好是该类型的最大值。C++标准明确规定，无符号整数运算遵循模2}n规则，无法表示负数，运算结果小于0时会发生下溢，自动回绕到对应类型的取值最大值。
• 代入传入参数走执行流程：形参s2接收"madam"，长度为5；s1接收"madame"，长度为6。for循环执行过程中，前5次字符比对完全匹配s2的全部内容，变量a累加至5，随后i自增为5进入下一轮循环，循环入口判断a == s2.size()成立，直接执行break跳出循环，此时a=5、i=5。
• 超大数值的产生逻辑：执行s2.size() - a -1时，实际运算值为5 - 5 -1 = -1，由于参与运算的s2.size()是无符号size_t类型，整个表达式的结果类型也为size_t，-1会被自动转换为该无符号类型的最大值，也就是输出看到的18446744073709551615。
• 第二个输出0的逻辑：后续计算s1.size()-i + s2.size()-a-1时，s1.size()-i的值为6-5=1，加上前述无符号下溢得到的2^{64-1，总和恰好为2}64。该值参与对int类型变量result的赋值运算时，会发生类型截断，2^64的二进制低32位（32位int的标准位宽）全为0，转换为int后值为0，因此函数最终返回0，被main函数输出。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者CuddlyTriangle