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C语言:基本数据类型

钱魏Way · · 85 次浏览

在C语言中, 每个变量在使用之前必须定义其数据类型。C语言有以下几种类型: 整型(int)、浮点型(float)、字符型(char)、指针型(*)、无值型(void)以及结构(struct)和联合(union)。其中前五种是C的基本数据类型、 后两种数据类型(结构和联合)。今天主要学习的基本数据类型。

基本数据类型

整型 int

C语言的整型表示的是整数,分为有符号(int)和无符号(unsigned int)。其中无符号整型只能表示非负整数(自然数),不管是有符号还是没符号都存在极限值(表示的数字不能超过或小于某个值),而在C语言中,极限值并不是固定的,不同硬件、操作系统、编译器都可能有不同的值。想要了解当前C语言环境的整型极限值,可以通过引入limits.h头文件查看。具体代码:

#include <stdio.h>
#include <limits.h>

int main(void)
{
    printf("The number of bits in a byte %d\n", CHAR_BIT);
    printf("The minimum value of CHAR = %d\n", CHAR_MIN);
    printf("The maximum value of CHAR = %d\n", CHAR_MAX);
    printf("The minimum value of SIGNED CHAR = %d\n", SCHAR_MIN);
    printf("The maximum value of SIGNED CHAR = %d\n", SCHAR_MAX);
    printf("The maximum value of UNSIGNED CHAR = %d\n", UCHAR_MAX);
    printf("The minimum value of SHORT INT = %d\n", SHRT_MIN);
    printf("The maximum value of SHORT INT = %d\n", SHRT_MAX);
    printf("The maximum value of UNSIGNED SHORT INT = %d\n", USHRT_MAX);
    printf("The minimum value of INT = %d\n", INT_MIN);
    printf("The maximum value of INT = %d\n", INT_MAX);
    printf("The maximum value of UNSIGNED INT = %u\n", UINT_MAX);
    printf("The minimum value of LONG = %ld\n", LONG_MIN);
    printf("The maximum value of LONG = %ld\n", LONG_MAX);
    printf("The maximum value of UNSIGNED LONG = %lu\n", ULONG_MAX);
    return 0;
}

注意,打印UINT_MAX时不能够使用%d,否则会输出-1,同样打印ULONG_MAX时,无法使用%ld,否则同样会输出-1。上述代码在我的电脑上编译执行后,输出的内容为:

The number of bits in a byte 8
The minimum value of CHAR = -128
The maximum value of CHAR = 127
The minimum value of SIGNED CHAR = -128
The maximum value of SIGNED CHAR = 127
The maximum value of UNSIGNED CHAR = 255
The minimum value of SHORT INT = -32768
The maximum value of SHORT INT = 32767
The maximum value of UNSIGNED SHORT INT = 65535
The minimum value of INT = -2147483648
The maximum value of INT = 2147483647
The maximum value of UNSIGNED INT = 4294967295
The minimum value of LONG = -9223372036854775808
The maximum value of LONG = 9223372036854775807
The maximum value of UNSIGNED LONG = 18446744073709551615

这些值是在limits.h头文件中通过 #define 指令来定义的。具体含义如下:

描述
CHAR_BIT 定义一个字节的比特数。
SCHAR_MIN 定义一个有符号字符的最小值。
SCHAR_MAX 定义一个有符号字符的最大值。
UCHAR_MAX 定义一个无符号字符的最大值。
CHAR_MIN 定义类型 char 的最小值,如果 char 表示负值,则它的值等于 SCHAR_MIN,否则等于 0。
CHAR_MAX 定义类型 char 的最大值,如果 char 表示负值,则它的值等于 SCHAR_MAX,否则等于 UCHAR_MAX。
MB_LEN_MAX 定义多字节字符中的最大字节数。
SHRT_MIN 定义一个短整型的最小值。
SHRT_MAX 定义一个短整型的最大值。
USHRT_MAX 定义一个无符号短整型的最大值。
INT_MIN 定义一个整型的最小值。
INT_MAX 定义一个整型的最大值。
UINT_MAX 定义一个无符号整型的最大值。
LONG_MIN 定义一个长整型的最小值。
LONG_MAX 定义一个长整型的最大值。
ULONG_MAX 定义一个无符号长整型的最大值。

字符型本质上是int型,C语言把字符型当作小整数进行处理,我们常见的ASCII码表即为字符与int值之间的映射关系。例如字符’a’对应的值为97,字符’A’对应的值为65,字符’0’的值为48。在ASCII码中字符的取值范围为00000000~11111111,可以看成是0-127的整数。虽然ASCII码的取值范围是0-127,但是C语言中字符型char的表示范围和整型int一样受环境影响,具体可看上述示例。

C语言中 getchar()函数返回的类型为int型而非char类型

最近在重新阅读K&R的《C程序设计语言》时对getchar()这个自带的函数的返回值产生了疑惑。从字面上看,给函数返回的类型应该是char型,但在示例中,却将返回内容赋值给了int型变量,示例代码如下:

#include <stdio.h>

/* 将输入复制到输出 */ 
int main(void)
{
    int c;
    while ((c = getchar()) != EOF){
        putchar(c);
    }
    return 0;
}

书中给出的解释为:因为某些潜在的重要原因,我们在此使用int类型。

这里作者并没有对重要原因给出明确的说明,我试着将int修改为char,发现程序还是能够正常编译与执行,这更加让我疑惑!经过一翻搜索,找到的答案如下:

1、getchar()除了返回正常的字符外,还会返回输入结束符EOF(end of file)。

该函数原型如下:

int getchar(void)
{
    static char buf[BUFSIZ];
    static char *bb = buf;
    static int n = 0;
    if(n == 0)
    {
        n = read(0, buf, BUFSIZ);
        bb = buf;
    }
    return(--n >= 0)?(unsigned char) *bb++ : EOF;
}

2、EOF通常在<stdio.h>文件中被定义为-1:

#define BUFSIZ 512
#define _NFILE _NSTREAM_
#define _NSTREAM_ 512
#define _IOB_ENTRIES 20
#define EOF (-1)

3、各种数据类型能表示的数值范围由编译器决定。char类型在有些编译器中定义的范围为0~255,另外一些编译器中定义的范围为-128~127。当编译器中定义的范围为0~255时,用char接收getchar()返回值时就会出错。数据类型具体的定义范围可在<limits.h>文件中找到:

#define CHAR_BIT 8
#define SCHAR_MIN (-128)
#define SCHAR_MAX 127
#define UCHAR_MAX 0xff

#define CHAR_MIN SCHAR_MIN
#define CHAR_MAX SCHAR_MAX

4、将int改为char后能在我的电脑上正常编译,时由于我的编译器中定义的范围为-128~127,当用char接收时会隐式的转化为char类型。

5、即使编译器总定义的范围为-128~127,程序也有可能出错。虽然常见字符到127位就结束了。但是ASCII表中分配到的时256。128~256为拓展字符,如常用的欧元符号等均在内。

综上:getchar()返回的内容用更大范围区间的int型接收,才能使程序更加稳健。

枚举类型 enum

枚举类型enum本质和字符类型一样,也可理解为映射表,只不过该映射关系需要自行定义。大致的使用方式如下:

#include<stdio.h>

enum month {
    Jan = 1, Feb, Mar, Apr, May, Jun, Jul,
    Aug, Sep, Oct, Nov, Dec
};

int main() {
    int i;
    for (i = Jan; i <= Dec; i++)
        printf("%d ", i);

    return 0;
}

其中:

  • 映射的数值可以自行指定
  • 首位如果缺省,则数字从0开始
  • 中间位缺省,则数字为前一位+1

浮点类型 float和double

浮点类型(浮点数)指的就是小数,float(单精度浮点)和double(双精度浮点)的区别是double的精度更高,在大部分环境中,double的有效数字为16位,float的有效数字为7位。相应的double消耗的内存是float的两倍,运行速度也比float慢的多。

C语言标准规定,浮点数在内存中以科学计数法的形式来存储,具体形式为:

flt = (-1)sign × mantissa × baseexponent

对各个部分的说明:

  • flt 是要表示的浮点数。
  • sign 用来表示 flt 的正负号,它的取值只能是 0 或 1:取值为 0 表示 flt 是正数,取值为 1 表示 flt 是负数。
  • base 是基数,或者说进制,它的取值大于等于 2(例如,2 表示二进制、10 表示十进制、16 表示十六进制……)。数学中常见的科学计数法是基于十进制的,例如93×1013;计算机中的科学计数法可以基于其它进制,例如 1.001 × 27 就是基于二进制的,它等价于 1001 0000。
  • mantissa 为尾数,或者说精度,是 base 进制的小数,并且 1 ≤ mantissa < base,这意味着,小数点前面只能有一位数字;
  • exponent 为指数,是一个整数,可正可负,并且为了直观一般采用十进制表示。

浮点类型与整型一样,能够表示的范围受当前环境影响。想要了解具体的极限值信息,可以从flaot.h中查看。float.h 头文件对 float、double 和 long double 三种类型的浮点数进行了说明,并且宏的命名也非常规范,以FLT_开头的表示宏用来描述 float 类型的特性,以DBL_开头的表示宏用来描述 double 类型的特性,以LDBL_开头的表示宏用来描述 long double 类型的特性。查看方式:

#include <stdio.h>
#include <float.h>

int main(void)
{
    printf("FLT_EVAL_METHOD = %d\n",  FLT_EVAL_METHOD);
    printf("FLT_ROUNDS      = %d\n", FLT_ROUNDS);
    printf("FLT_RADIX       = %d\n", FLT_RADIX);
    printf("FLT_MANT_DIG    = %d\n", FLT_MANT_DIG);
    printf("DECIMAL_DIG     = %d\n", DECIMAL_DIG);
    printf("FLT_DIG         = %d\n", FLT_DIG);
    printf("FLT_MIN_EXP     = %d\n",  FLT_MIN_EXP);
    printf("FLT_MAX_EXP     = %d\n",  FLT_MAX_EXP);
    printf("FLT_MIN_10_EXP  = %d\n",  FLT_MIN_10_EXP);
    printf("FLT_MAX_10_EXP  = %d\n",  FLT_MAX_10_EXP);
    printf("FLT_MIN         = %e\n", FLT_MIN);
    printf("FLT_MAX         = %e\n", FLT_MAX);
    printf("FLT_EPSILON     = %e\n", FLT_EPSILON);
    printf("FLT_TRUE_MIN    = %e\n", FLT_TRUE_MIN);
    printf("FLT_DECIMAL_DIG = %d\n",  FLT_DECIMAL_DIG);
    printf("FLT_HAS_SUBNORM = %d\n",  FLT_HAS_SUBNORM);
}

在我电脑上返回的值如下:

FLT_EVAL_METHOD = 0
FLT_ROUNDS      = 1
FLT_RADIX       = 2
FLT_MANT_DIG    = 24
DECIMAL_DIG     = 21
FLT_DIG         = 6
FLT_MIN_EXP     = -125
FLT_MAX_EXP     = 128
FLT_MIN_10_EXP  = -37
FLT_MAX_10_EXP  = 38
FLT_MIN         = 1.175494e-38
FLT_MAX         = 3.402823e+38
FLT_EPSILON     = 1.192093e-07
FLT_TRUE_MIN    = 1.401298e-45
FLT_DECIMAL_DIG = 9
FLT_HAS_SUBNORM = 1

具体含义:

描述
FLT_EVAL_METHOD FLT_EVAL_METHOD 用来指明在表达式求值(尤其是数学运算)过程中是否需要提升浮点数的类型,可能的取值有:

l -1:未知的,不确定的。

l 0:不提升类型,使用当前的类型。

l 1:将浮点数提升到 double 类型,大于等于 double 类型的保持不变;也就是说,将 float 类型提升为 double 类型,double 和 long double 类型不变。

l 2:将浮点数提升到 long double;也就是说,将 float、double 提升到 long double 类型,long double 类型保持不变。

FLT_EVAL_METHOD 对所有浮点数类型(float、double 和 long double)都有效,也就是说,所有浮点数类型都必须采用相同的类型提升。提升类型能够提高浮点数的精度,让表达式的结果更加精确。

 

FLT_ROUNDS 浮点数的舍入模式,可能的取值有:

l -1:未知的,不确定的;

l 0:向零舍入,也就是直接截断;

l 1:舍入到最接近的值,类似于“四舍五入”,但不完全相同;

l 2:向 +∞ 方向舍入(向上舍入);

l 3:向 -∞ 方向舍入(向下舍入)。

FLT_ROUNDS 对所有浮点数类型(float、double 和 long double)都有效,也就是说,所有浮点数类型都必须采用相同的舍入模式。

FLT_RADIX 表示基数或者进制,也即上面公式中 base 的值。

FLT_RADIX 对所有浮点数类型(float、double 和 long double)都有效,也就是说,所有浮点数类型都必须采用相同的种基数(进制)。

 

FLT_MANT_DIG

DBL_MANT_DIG

LDBL_MANT_DIG

基数(进制)为 FLT_RADIX 时,尾数 mantissa 的最大长度(最大位数),也可以说是浮点数的精度。注意,这里所说的长度包含了整数部分和小数部分。

 

DECIMAL_DIG

 

在不损失精度精度的情况下,能够将 long double 转换成至少 DECIMAL_DIG 个十进制数字;反过来,也能将至少 DECIMAL_DIG 个十进制数字转换成 long double。也就是说,DECIMAL_DIG 是用于 long double 序列化和反序列化时的十进制精度。
FLT_DIG

DBL_DIG

LDBL_DIG

转换成十进制形式后,小数点后精确数字(能够保证精度的数字)的位数。
FLT_MIN_EXP

DBL_MIN_EXP

LDBL_MIN_EXP

基数(进制)为 FLT_RADIX 时,规格化浮点数的指数(也即 exponent)的最小值(为负数)。

 

FLT_MAX_EXP

DBL_MAX_EXP

LDBL_MAX_EXP

基数(进制)为 FLT_RADIX 时,规格化浮点数的指数(也即 exponent)的最大值(为正数)。

 

FLT_MIN_10_EXP

DBL_MIN_10_EXP

LDBL_MIN_10_EXP

转换成十进制形式后,规格化浮点数的指数的最小值(为负数)。

 

FLT_MAX_10_EXP

DBL_MAX_10_EXP

LDBL_MAX_10_EXP

转换成十进制形式后,规格化浮点数的指数的最大值(为正数)。

 

FLT_MIN

DBL_MIN

LDBL_MIN

最小的有效浮点数的值(为负数),也即浮点数的最小值。

 

FLT_MAX

DBL_MAX

LDBL_MAX

最大的有效浮点数的值(为正数),也即浮点数的最大值。

 

FLT_EPSILON

DBL_EPSILON

LDBL_EPSILON

1 和大于 1 的最小浮点数之间的差值(可表示的最小有效数字)。

 

FLT_TRUE_MIN

DBL_TRUE_MIN

LDBL_TRUE_MIN

分别为 float、double 与 long double 的最小正数值

 

FLT_DECIMAL_DIG

DBL_DECIMAL_DIG

LDBL_DECIMAL_DIG

从 float/double/long double 转换到至少有 FLT_DECIMAL_DIG/DBL_DECIMAL_DIG/LDBL_DECIMAL_DIG 位数字的十进制,再转换回原类型为恒等转换:这是序列化/反序列化浮点值所要求的十进制精度。分别定义为至少 6、10 和 10,对于 IEEE float 为 9,对于 IEEE double 为 17。
FLT_HAS_SUBNORM

DBL_HAS_SUBNORM

LDBL_HAS_SUBNORM

指明类型是否支持非正规数值:-1 为不确定,0 为不支持,1 为支持。

size_t

在学习C语言的时候,遇到了一个新的数据类型size_t,截止目前也没有完全理清这个类似的具体场景及出现的原因。

size_t是一些C/C++标准在stddef.h中定义的。size_t的真实类型与操作系统有关:

#ifndef __SIZE_TYPE__
#ifdef _WIN64
#define __SIZE_TYPE__ long long unsigned int
#else
#define __SIZE_TYPE__ long unsigned int
#endif
#endif

可以看到,在这里

  • 64位架构中被定义为:long long unsigned int
  • 32位架构中被定义为:long unsigned int

size_t在32位架构上是4字节,在64位架构上是8字节,而int在不同架构下都是4字节,与size_t不同;且int为带符号数,size_t为无符号数。由于其是无符号的,所以其最大值在32位系统中是int的2倍,在64位系统中是4倍。

size_t 能存储理论上可行的任何类型(包括数组)对象的最大大小。size_t 通常用于数组下标和循环计数。比如将将unsigned int用作数组下标,可能会导致溢出。

C语言标准库里面经常会看到这样的函数:接收一个代表“字节大小”的值作为参数,或者返回一个代表“字节大小”的返回值。

// Declaration of various library function 
  
// Here argument of n refers maximum blocks that can be 
// allocated which is guaranteed to be non-negative 
void *malloc(size_t n); 
  
// While copying 'n' bytes from 's2' to 's1' 
// n must be non-negative integer 
void *memcpy(void *s1, void const *s2, size_t n); 
  
// strlen() use size_t because lengt of string has 
// to be atleast 0 
size_t strlen(char const *s);

其中:

  • 函数malloc(n),其中的参数n表示需要分配“多少字节”的内存大小。
  • 函数memcpy(s1, s2, n),其中的参数n表示需要复制的“字节大小”。
  • 函数strlen(s)的返回值表示字符串的“长度大小”。

表示大小为什么不直接用int类型,而非得搞个size_t?

以size_t strlen(char const *s)为例,由于字符串的长度永远不可能为负数,而int是允许负数的,有一半的数字被浪费了,明显用unsigned int会更好(同样的字节数),有效的数字多了一倍,从语义也更合理。那为什么不直接使用unsigned int?学过计算机组成原理应该不会对此有疑问。int小于等于数据线宽度,size_t大于等于地址线宽度。size_t存在的最大原因可能是因为:地址线宽度历史中经常都是大于数据线宽度的。目前的int普遍是32位,而size_t在主流平台中都是64位。因为无论int还是unsigned都很可能小于size_t需要的大小,所以必须有个size_t。

为什么要把类型命名为“size_t”?

sizeof()方法返回类型,表示一个size。所以从名字很直观能了解。C语言库自身使用typedef为那些可能依据C语言实验的不同而不同的类型创建类型名,这些类型的名字经常以_t结尾(_t的意思显然就是type),使用这样的命名方式主要是变量与类型共享同一个命名空间,因而需要在命名规则上刻意区分开来。比如ptrdiff_t、size_t、wchar_t。

  • wchar_t就是wide char type,“一种用来记录一个宽字符的数据类型”。
  • ptrdiff_t就是pointer difference type,“一种用来记录两个指针之间的距离的数据类型”。

sizeof运算符

sizeof 运算符可以查看一个变量/类型所占用的字节空间。sizeof(<varible/type>)。尽可能用 sizeof(varname) 代替 sizeof(type)。使用 sizeof(varname) 是因为当代码中变量类型改变时会自动更新。某些情况下 sizeof(type) 或许有意义,但还是要尽量避免,因为它会导致变量类型改变后不能同步。

typedef 关键字

typedef可以为某个类型起个别名。通常被用于以下三种目的:

  • 为了隐藏特定类型的实现,强调使用类型的目的;
  • 简化复杂的类型定义,使其更易理解;
  • 允许一种类型用于多个目的,同时使的每次使用该类型的目的明确。

类型转换

算术转换

所谓算数转化就是将运算(比较)前将2个操作数的类型转化为相同类型,其中表示空间较小的会自动转化为表示空间较大的。比如计算1+2.0,会将1转换为1.0,再与2相加。相关的优先级为:

其中容易遇到的坑为,当有符号的遇到无符号的时候会将去转化为无符号,如果有符号的数字为负数就会产生问题。

#include <stdio.h>

int x = -1;
unsigned int y = 1;

int main(void) {
    if (x > y) {
        puts("X > Y");
        printf("X is %u\n", x);
    } else {
        puts("X < Y");
    }

    return 0;
}

上述代码编译执行后输出的结果为:

X > Y
X is 4294967295

导致x从-1到4294967295的原因是,在负数从有符号转到无符号的过程中会自动加上4294967295(最到的无符号整数)+1。

赋值转换

赋值转换指的是在进行赋值操作时,赋值运算符右边的数据类型必须转换成赋值号左边的类型,若右边的数据类型的长度大于左边,则要进行截断。比如将浮点数赋值给整型变量就会直接丢失小数部分。

输出转换

输出转化是指在格式化输出(printf)的时候,会将类型转化为制定的格式,比如%d代表的就是int型。

对于ANSI C以前的C,比int小的类型会被转化成int,float会被转化成double,所以不会出现接受float类型参数的函数,针对char和short,编译器通过别的方式做了补救措施。因为ANSI C有原型声明,所以无论是char还是float,都可以直接传递。可是,对于printf()这样具有可变参数的函数,原型声明对可变长部分的参数是不产生任何影响的。因此,这部分的参数同样会被编译器进行类型转换操作。也就是说,比int小的会被转换成int,float会被转化成double。结果就是不能向printf传递char或float参数。所以:

  • float、double共用了%f,如果你使用%lf反而会提出警告。
  • char、short、int共用了%d

但是,在scanf中如果想要使用double,就必须使用%lf。

强制转换

强制转化非常的简单,就是在变量或表达式前加上“(类型名)”,如果类型的标识的标示范围<原值,会发生截断问题。常用的强制转化比如在计算两个整数相除。int_x / int_y默认返回的是被截断的整数,如果想让除法结果返回小数,只要在人员一个变量面前添加(float)即可。比如(float) int_x / int_y,注意,这里的强制转换要比算法运算符高,所以这里会先进行强制转换后进行算数转换。

参考链接:

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