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C 语言数据类型

所谓“类型”,就是相似的数据所拥有的共同特征,知道某个值的数据类型,就能知道该值的特征和操作方式。

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基本数据类型有三种:字符(char)、整数(int)和浮点数(float),复杂的类型都是基于它们构建的。

字符类型

字符类型指的是单个字符,类型声明使用char关键字,字符常量必须放在单引号里面。

char c = 'B'; // 声明了变量c是字符类型,并将其赋值为字母B。

字符类型使用一个字节(8位)存储。

C 语言将字符类型当作整数处理,每个字符对应一个整数(由 ASCII 码确定),比如B对应整数66

字符类型在不同系统的默认范围是不一样的。一些系统默认为-128127,另一些系统默认为0255。这两种范围正好都能覆盖0127的 ASCII 字符范围。

只要在字符类型的范围之内(0127),整数与字符是可以互换的,都可以赋值给字符类型的变量。

char c = 66;
// 等同于
char c = 'B';
char a = 'B'; // 等同于 char a = 66;
char b = 'C'; // 等同于 char b = 67;
printf("%d\n", a + b); // 输出 133

转义字符

char t = '\''; // 内部的单引号使用反斜杠转义。

转义写法主要用来表示 ASCII 码定义的一些无法打印的控制字符。

  • \a:警报,这会使得终端发出警报声或出现闪烁,或者两者同时发生。
  • \b:退格键,光标回退一个字符,但不删除字符。
  • \f:换页符,光标移到下一页。在现代系统上,这已经反映不出来了,行为改成类似于\v
  • \n:换行符。
  • \r:回车符,光标移到同一行的开头。
  • \t:制表符,光标移到下一个水平制表位,通常是下一个8的倍数。
  • \v:垂直分隔符,光标移到下一个垂直制表位,通常是下一行的同一列。
  • \0:null 字符,代表没有内容。注意,这个值不等于数字0。

转义写法还能使用八进制和十六进制表示一个字符。

  • \nn:字符的八进制写法,nn为八进制值。
  • \xnn:字符的十六进制写法,nn为十六进制值。
char x = 'B';
char x = 66;
char x = '\102'; // 八进制
char x = '\x42'; // 十六进制

整数类型

基本使用

整数类型用来表示较大的整数,类型声明使用int关键字。

int a;

不同系统的int类型的大小是不一样的,比较常见的是使用4个字节(32位)存储一个int类型的值,但是2个字节(16位)或8个字节(64位)也有可能使用。

  • 16位:-32,768 到 32,767。
  • 32位:-2,147,483,648 到 2,147,483,647。
  • 64位:-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807。

signed,unsigned

  • signed

signed关键字,表示一个类型带有正负号,包含负值。

对于int类型,默认是带有正负号的,也就是说int等同于signed int

  • unsigned

unsigned关键字,表示该类型不带有正负号,只能表示零和正整数。

这样,同样长度的内存能够表示的最大整数值,增大了一倍。比如,16位的signed int最大值为32,767,而unsigned int的最大值增大到了65,535。

unsigned int里面的int可以省略。

unsigned a;

由于字符类型的本质是整数,字符类型char也可以设置signedunsigned

signed char c; // 范围为 -128 到 127
unsigned char c; // 范围为 0 到 255

注意,C 语言规定char类型默认是否带有正负号,由当前系统决定。char不等同于signed char,它有可能是signed char,也有可能是unsigned char

整数的子类型

只需要8位整数时,应该使用char类型。

  • short int(简写为short

占用空间不多于int,一般占用2个字节(整数范围为-~)。只需要16位整数时,应使用short类型。

  • long int(简写为long

占用空间不少于int,至少为4个字节。需要32位整数时,应使用long类型而不是int类型,可以确保不少于4个字节。

  • long long int(简写为long long

占用空间多于long,至少为8个字节。需要64位的整数时,应该使用long long类型,可以确保不少于8个字节。

short int a;
long int b;
long long int c;

默认情况下,shortlonglong long都是带符号的(signed),即signed关键字省略了。它们也可以声明为不带符号(unsigned),使得能够表示的最大值扩大一倍。

unsigned short int a;
unsigned long int b;
unsigned long long int c;

C 语言允许省略int

short a;
long b;
long long c;

整数的极限值

C 语言的头文件limits.h提供了相应的常量,比如SCHAR_MIN代表 signed char 类型的最小值-128SCHAR_MAX代表 signed char 类型的最大值127

  • SCHAR_MINSCHAR_MAX:signed char 的最小值和最大值。
  • SHRT_MINSHRT_MAX:short 的最小值和最大值。
  • INT_MININT_MAX:int 的最小值和最大值。
  • LONG_MINLONG_MAX:long 的最小值和最大值。
  • LLONG_MINLLONG_MAX:long long 的最小值和最大值。
  • UCHAR_MAX:unsigned char 的最大值。
  • USHRT_MAX:unsigned short 的最大值。
  • UINT_MAX:unsigned int 的最大值。
  • ULONG_MAX:unsigned long 的最大值。
  • ULLONG_MAX:unsigned long long 的最大值。

整数的表示进制

C 语言的整数默认都是十进制数,如果要表示八进制数和十六进制数,必须使用专门的表示法。

八进制使用0作为前缀,比如0170377

int a = 012; // 八进制,相当于十进制的10

十六进制使用0x0X作为前缀,比如0xf0X10

int a = 0x1A2B; // 十六进制,相当于十进制的6699

有些编译器使用0b前缀,表示二进制数,但不是标准。

上述不同的进制只是整数的书写方法,所有整数都是二进制形式存储,跟书写方式无关。

不同进制可以混合使用,比如10 + 015 + 0x20是一个合法的表达式。

printf()的进制相关占位符如下。

  • %d:十进制整数。
  • %o:八进制整数。
  • %x:十六进制整数。
  • %#o:显示前缀0的八进制整数。
  • %#x:显示前缀0x的十六进制整数。
  • %#X:显示前缀0X的十六进制整数。
int x = 100;
printf("dec = %d\n", x); // 100
printf("octal = %o\n", x); // 144
printf("hex = %x\n", x); // 64
printf("octal = %#o\n", x); // 0144
printf("hex = %#x\n", x); // 0x64
printf("hex = %#X\n", x); // 0X64

浮点数类型

浮点数使用 m * b^e 的形式存储数值,m是小数部分,b是基数(通常是2),e是指数部分。

  • float :占用4个字节(32位)

其中8位存放指数 e 的值和符号,剩下24位存放小数 m 的值和符号。

float c = 10.5;
  • double : 占用8个字节(64位)。

  • long double :占用16个字节。

由于存在精度限制,浮点数只是一个近似值,它的计算是不精确的,比如 0.1 + 0.2 并不等于 0.3,而是有一个很小的误差。

布尔类型

C 语言原来并没有为布尔值单独设置一个类型,而是使用整数0表示伪,所有非零值表示真。

int x = 1;
if (x) {
  printf("x is true!\n");
}

C99 标准添加了类型_Bool,表示布尔值。但是,这个类型只是整数类型的别名,还是使用0表示伪,1表示真。

_Bool isNormal;

isNormal = 1;
if (isNormal)
  printf("Everything is OK.\n");

头文件stdbool.h定义了另一个类型别名bool,并且定义了true代表1false代表0

#include 

bool flag = false;

字面量

字面量(literal)指的是代码里面直接出现的值。

int x = 123; // 123 就是字面量

字面量的类型

编译时,字面量也会写入内存,因此编译器必须为字面量指定数据类型。

  • 整数字面量

一般情况下,十进制整数字面量(比如123)会被编译器指定为int类型。

如果一个数值比较大,超出了int能够表示的范围,编译器会将其指定为long int

如果数值超过了long int,会被指定为unsigned long

如果还不够大,就指定为long longunsigned long long

  • 小数字面量

小数(比如3.14)会被指定为double类型。

字面量后缀

可以为字面量加上后缀,从而为字面量指定数据类型。

int x = 123L; // 字面量123有后缀L,编译器就会将其指定为long类型。

如果希望指定为无符号类型,可以使用后缀uU

字面量后缀可以组合使用。

int x = 123LU;

常用的字面量后缀

  • fFfloat类型。
  • lL:对于整数是long int类型,对于小数是long double类型。
  • llLL:Long Long 类型,比如3LL
  • uU:表示unsigned int,比如15U0377U

数据溢出

每种数据类型都有数值范围,如果存放的数值超出了这个范围(小于最小值或大于最大值),需要更多的二进制位存储,就会发生溢出。大于最大值,叫做向上溢出(overflow);小于最小值,叫做向下溢出(underflow)。

一般来说,编译器不会对溢出报错,会正常执行代码,但是会忽略多出来的二进制位。

unsigned char x = 255;
x = x + 1;

printf("%d\n", x); // 0

为了避免溢出,最好的方法就是将运算结果与类型的极限值进行比较。

但是,不能通过相加的和是否超出了最大值来判断是否发生了溢出。

unsigned int ui;
unsigned int sum;

// 错误
if (sum + ui > UINT_MAX) too_big();
else sum = sum + ui;

// 正确
if (ui > UINT_MAX - sum) too_big();
else sum = sum + ui;

sizeof 运算符

sizeof是 C 语言提供的一个运算符,返回某种数据类型或某个值占用的字节数量。

// 参数为数据类型
int x = sizeof(int);

// 参数为变量
int i;
sizeof(i);

// 参数为数值
sizeof(3.14);

sizeof运算符的返回值,C 语言只规定是无符号整数,并没有规定具体的类型。

不同的系统中,返回值的类型有可能是unsigned int,也有可能是unsigned long,甚至是unsigned long long,对应的printf()占位符分别是%u%lu%llu。这样不利于程序的可移植性。

C 语言提供了一个解决方法,创造了一个类型别名size_t,用来统一表示sizeof的返回值类型。该别名定义在stddef.h头文件(引入stdio.h时会自动引入)里面,对应当前系统的sizeof的返回值类型,可能是unsigned int,也可能是unsigned long

C 语言还提供了一个常量SIZE_MAX,表示size_t可以表示的最大整数。所以,size_t能够表示的整数范围为[0, SIZE_MAX]

printf()有专门的占位符%zd%zu,用来处理size_t类型的值。

printf("%zd\n", sizeof(int));

如果当前系统不支持%zd%zu,可使用%u(unsigned int)或%lu(unsigned long int)代替。

数据类型转换

自动类型转换

  • 赋值运算

赋值运算符会自动将右边的值,转成左边变量的类型。

浮点数赋予整数变量时,C 语言直接丢弃小数部分,而不是四舍五入。

int x = 3.14; // 编译器会自动把3.14先转为int类型,丢弃小数部分,再赋值给x

整数赋值给浮点数变量时,会自动转为浮点数。

float y = 12 * 2; // 变量y的值不是24,而是24.0

字节宽度较小的整数类型,赋值给字节宽度较大的整数变量时,会发生类型提升。

char x = 10;
int i = x + y;

字节宽度较大的类型,赋值给字节宽度较小的变量时,会发生类型降级,自动转为后者的类型。这时可能会发生截值(truncation),系统会自动截去多余的二进制位,导致难以预料的结果。

int i = 321;
char ch = i; // ch 的值是 65 (321 - 256)
  • 混合类型运算

不同类型的值进行混合计算时,必须先转成同一个类型,才能进行计算。

整数与浮点数混合运算时,整数转为浮点数类型,与另一个运算数类型相同。

3 + 1.2; // 4.2

不同的浮点数类型混合运算时,宽度较小的类型转为宽度较大的类型,比如float转为doubledouble转为long double

不同的整数类型混合运算时,宽度较小的类型会提升为宽度较大的类型。比如short转为intint转为long等,有时还会将带符号的类型signed转为无符号unsigned

最好避免无符号整数与有符号整数的混合运算。因为这时 C 语言会自动将signed int转为unsigned int,可能不会得到预期的结果。

int a = -5; 
if (a < sizeof(int))// signed int a 自动转为 unsigned int 
  do_something(); 
  • 整数类型运算

两个相同类型的整数运算时,或者单个整数的运算,一般来说,运算结果也属于同一类型。但是,宽度小于int的类型,运算结果会自动提升为int

unsigned char a = 66;

if ((-a) < 0) printf("negative\n");
else printf("positive\n");
  • 函数传参
int dostuff(int, unsigned char);

char m = 42;
unsigned short n = 43;
long long int c = dostuff(m, n);

不管参数变量mn原来的类型是什么,都会转成函数dostuff()定义的参数类型。

显式类型转换

原则上,应该避免类型的自动转换,防止出现意料之外的结果。C 语言允许手动转换类型。

只要在值或变量的前面,使用圆括号指定类型(type)即可。

(unsigned char) ch

可移植类型

C 语言的整数类型(short、int、long)在不同计算机上,占用的字节宽度可能是不一样的,无法提前知道它们到底占用多少个字节。

为了代码可以有更好的可移植性,头文件stdint.h创造了一些新的类型别名。

精确宽度类型

精确宽度类型(exact-width integer type),保证某个整数类型的宽度是确定的。

  • int8_t:8位有符号整数。
  • int16_t:16位有符号整数。
  • int32_t:32位有符号整数。
  • int64_t:64位有符号整数。
  • uint8_t:8位无符号整数。
  • uint16_t:16位无符号整数。
  • uint32_t:32位无符号整数。
  • uint64_t:64位无符号整数。

这些都是类型别名,编译器会指定它们指向的底层类型。

比如,某个系统中,如果int类型为32位,int32_t就会指向int;如果long类型为32位,int32_t则会指向long

#include 
#include 

int main(void) {
  int32_t x32 = ; // 变量`x32`声明为`int32_t`类型,可以保证是32位的宽度。
  printf("x32 = %d\n", x32);
  return 0;
}

最小宽度类型

最小宽度类型(minimum width type),保证某个整数类型的最小长度。

  • int_least8_t
  • int_least16_t
  • int_least32_t
  • int_least64_t
  • uint_least8_t
  • uint_least16_t
  • uint_least32_t
  • uint_least64_t

比如,int_least8_t表示可以容纳8位有符号整数的最小宽度的类型。

最快最小宽度类型

最快的最小宽度类型(fast minimum width type),可以使整数计算达到最快的类型。

  • int_fast8_t
  • int_fast16_t
  • int_fast32_t
  • int_fast64_t
  • uint_fast8_t
  • uint_fast16_t
  • uint_fast32_t
  • uint_fast64_t

这些类型在保证字节宽度的同时,追求最快的运算速度。

比如int_fast8_t表示对于8位有符号整数,运算速度最快的类型。这是因为某些机器对于特定宽度的数据,运算速度最快,举例来说,32位计算机对于32位数据的运算速度,会快于16位数据。

可保存指针的整数类型

  • intptr_t:可以存储指针(内存地址)的有符号整数类型。
  • uintptr_t:可以存储指针的无符号整数类型。

最大宽度整数类型

  • intmax_t:可以存储任何有效的有符号整数的类型。
  • uintmax_t:可以存放任何有效的无符号整数的类型。

这两个类型的宽度比long longunsigned long更大。

参考: C 语言教程


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