数据和C——万字详解（C Primer Plus）

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原创 2023-07-24 11:16:02 1.9k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

C Primer Plus 第9章——第一篇 P243~P275 阅读详情

前言

程序离不开数据。把数据、字母和文字输入计算机，就是希望它利用这些数据完成某些任务。例如，需要计算一份利息或显示一份葡萄酒商的排序列表。本篇文章除了介绍如何读取数据外，还将教会读者如何操控数据。
C语言提供了两大系列的多种数据类型。本篇文章将详细介绍两大数据类型：整数类型和浮点数类型，详细介绍这些数据类型是什么、如何声明它们、如何及何时使用它们。除此之外,还将介绍变量和常量的区别。

1 变量和常量数据

在程序得指导下，计算机可以做许多事情，如数值计算、画画、计算彗星轨道或其他你想做的事情。要完成这任务，程序需要使用数据，即承载信息的数字或字符。有些数据类型在程序使用之前预先设定好了，在整个运行过程中没有变化，这些称为常量。其他数据类型在运行期间可能或发生改变或赋值，这些称为变量。例如3.1415是一个常量，而weight是一个变量，可以通过赋值等方式发生改变。

2 数据：数据类型关键字

不仅变量和常量不同，不同的数据类型之间也有差异（一些数据类型表示数值，一些数据类型表示字符）。C通过识别一些基本的数据类型来区分和使用这些不同的数据类型。如果数据类型是常量，编译器会通过用户书写的形式来识别类型（如，43是整数，43.0000是浮点数）。但对于变量而言，需要在声明时指定其类型，稍后将详细介绍。现在先来看看C语言的基本类型关键字。

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在C语言中，用int关键字来表示基本的数据类型。后3个关键字（long、short 和 unsigned）和C90新增的signed用于提供基本整数类型的变式。例如unsigned short int 和 long long int。char关键字用于指定字母和其他字符（如#，&，@和*）。另外，char类型也可以表示较小的整数.。float、double和long double表示带小数点的数。_Bool 类型表示布尔值（true 或false)，_Complex和_Imaginary分别表示复数和虚数。
通过这些关键字创建的类型，按计算机的存储方式可分为两大基本数据类型：整数类型和浮点数类型。

2.1 整数和浮点数

整数类型？浮点数类型？
对我们而言，整数和浮点数的区别是它们的书写形式不同。对计算机而言，它们的区别就是存储方式不同。

2.2 整数

和数学概念一样，在C语言中，整数是没有小数的数。同时，计算机以二进制的方式数字来存储整数。例如，整数7以二进制写是111.因此，要在8位字节中存储该数字，需要把前5位都设置位0，后3位设置位1（如图3.2）

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2.3 浮点数

浮点数与数学中的实数概念差不多。2.34、3.43E7、6.00、和2e-4都是浮点数。注意，在一个值后面加一个小数点，该值就变成了浮点数。因此，6是整数，6.00是浮点数。
但需要注意的是，整数和浮点数在计算机中的存储方式不同。计算机把浮点数分成小数部分和指数部分来表示，而且分开存储这两部分。因此，虽然6.00和6在数值上相等，但它们的存储方式不同。在十进制下，6.0可以写成0.6E1。这里0.6是小数部分，1是指数部分。

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Tips:

整数没有小数部分，浮点数有小数部分。
浮点数可以表示的范围比整数大。
对于一些算数计算（如，两个很大的数相减），浮点数损失的精度更多。
因为在任何区间（如。1.0到2.0之间）都存在无穷多个实数，所以计算机的浮点数不能表示区间的所有值，浮点数通常只是实际值的近似值。例如，6.0可能被存储为浮点值5.99999。
在过去，浮点数运算比整数慢。不过现在许多CPU都包含浮点处理器，缩小了速度上的差距。

3 C语言基本数据类型

3.1 int类型

C语言提供了许多数据类型，为什么一种类型不够用？因为C语言让程序员针对不同情况选择不同类型。一般情况使用int类型即可，但是为满足特定任务和机器的要求，还可以选择其它类型。
int类型是有符号整型，其取值范围依计算机系统而异。一般而言，存储一个int要占用一个机器字长。一般而言，系统用一个特殊位的值来表示有符号整数的正负号。

3.1.1 声明int变量

//int 两种声明方式
int num;
int hogs,cows,goats;

3.1.2 初始化变量

以上声明只是创建了变量，但是并没有给他们提供值。变量如何获得值？C语言提供了3中实现方式。第一种是赋值，第二种是通过scanf（）来获得值。第三种则是初始化。

初始化变量就是为变量赋一个初始值。在C语言中，初始化可以直接在声明中完成。只需在变量名后加上赋值运算数(=)和待赋给变量的值。

int hogs=23;
int cows 123 , goats=12;
int dogs , cats=100; //有效，但这种代码风格很糟糕

简而言之，初始化为变量创建和标记存储空间，并为其指定初始值。

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3.1.3 打印int值

我们可以用printf（）函数来打印int的值，同时用%d(转换说明)来指定printf()以什么格式来显示一个值。这个值可以是int类型的变量、常量或int类型的常量表达式。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 2;
	printf("%d %d %d", a, 2, a - b);//变量、常量、表达式
	return 0;
}

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3.1.4 八进制和十六进制

通常，C语言都假定整型常量是十进制。但在表达与计算机相关的值时，显然八进制和十六进制更方便（都是2的幂）。在C语言中，用特定的前缀来表示时使用那种进制。0x和0X前缀表示十六进制（十进制16表示成十六进制是0x10或0X10）,0表示八进制（十进制16表示成八进制是020）。

3.1.5 显示八进制和十六进制

在C语言中，既可以使用使用也可以显示不同进制的数。不同的进制需要使用不同的转换说明。以十进制显示数字，使用%d;以八进制显示数字，使用%o；以十六进制显示数字，使用%x。另外要显示各进制数的前缀0、0x、0X，必须分别使用%#o、%#x、%#X。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int x = 100;
	printf("dec=%d; octal=%o; hex=%x\n", x, x, x);
	printf("dec=%d; octal=%#o; hex=%#x\n", x, x, x);
	return 0;
}

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3.2 其他数据类型

在C语言中，除int外，还有其它整数类型需要了解。
C语言提供3个附属关键字修饰基本整数类型：short、long和unsigned。

short int类型（简写为short）占用的存储空间可能比int类型少，常用于较小数值的场合以节省空间。（有符号类型）
long int或long占用的存储空间可能比int多，适用于较大数值的
场合。（有符号类型）
long long int或long long（C99标准加入）占用的储存空间可能
比long多，适用于更大数值的场合。该类型至少占64位。（有符号类型）
unsigned int或unsigned只用于非负值的场合。这种类型与有符
号类型表示的范围不同。例如，16位unsigned int允许的取值范围是0
～65535，而不是-32768～32767。用于表示正负号的位现在用于表示
另一个二进制位，所以无符号整型可以表示更大的数。在C90标准中，添加了unsigned long int或unsigned long和unsigned int或unsigned short类型。C99标准又添加了unsigned long long int或unsigned long long。

Tips:
C语言只规定了short占用的存储空间不能多于int，long占用的存储空间不能少于int,以适应不同的机器。

3.3 整数溢出

如果整数溢出会发生什么呢？

//2147483647和2147483647分别为int和unsigned int所能表达最大值
#include <stdio.h>
int main()
{
	int i = 2147483647;
	unsigned int j = 2147483647;
	printf("%d %d %d\n", i, i + 1, i + 2);
	printf("%u %u %u\n", j, j + 1, j + 2);
	return 0;
}

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读者可以把无符号整数j看作是汽车的里程表。当达到它能表示的最大值时，会重新从起始点开始。整数 i 也是类似的情况。它们主要的区别是，在超过最大值时，unsigned int 类型的变量 j 从 0开始；而int类型的变量i则从−2147483648开始。注意，当i超出（溢出）其相应类型所能表示的最大值时，系统并未通知用户。因此，在编程时必须自己注意这类问题。溢出行为是未定义的行为，C 标准并未定义有符号类型的溢出规则。以上描述的溢出行为比较有代表性，但是也可能会出现其他情况。

3.4 打印short、long、long long和unsigned类型

打印unsigned int类型的值，使用%u转换说明；打印long类型的值，使用%ld转换说明。%lx表示以十六进制格式打印long类型整数，%lo表示以八进制格式打印long类型整数。注意，虽然C允许使用大写或小写的常量后缀，但是在转换说明中只能用小写。
对于short类型，可以使用h前缀。%hd表示以十进制显示short类型的整数，%ho表示以八进制显示short类型的整数。h和l前缀都可以和u一起使用，用于表示无符号类型。例如，%lu表示打印unsigned long类型的值。对于支持long long类型的系统，%lld和%llu分别表示有符号和无符号类型。

#include <stdio.h>
int main()
{
	short end = 200;
	long big = 65537;
	long long verybig = 12345678908642;

	printf("end=%u and not %d\n", end, end);
	printf("big=%ld and not %hd\n", big,big );
	printf("verybig=%lld and not %ld\n", verybig,verybig );
	return 0;
}

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对于short类型的变量end，在printf()中无论指定以short类型（%hd）还是int类型（%d）打印，打印出来的值都相同。这是因为在给函数传递参数时，C编译器把short类型的值自动转换成int类型的值。

为什么要为什么要进行转换？h修饰符有什么用？
进行转换是因为int类型被认为是计算机处理整数类型时最高效的类型。因此，在short和int类型的大小不同的计算机中，用int类型的参数传递速度更快。
使用h修饰符可以显示较大整数被截断成 short 类型值的情况。

4 使用字符：char类型

char类型用于储存字符（如，字母或标点符号），但是从技术层面看，char是整数类型。因为char类型实际上储存的是整数而不是字符。计算机使用数字编码（ASCII编码）来处理字符。

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4.1 声明char类型变量

//char类型变量的声明方式与其他类型变量的声明方式相同
char ibs;
char its,ics;
//以上声明创建了3个char类型的变量:ibs、its、ics

4.2 字符常量和初始化

如果要把一个字符常量初始化为字母 A，不必背下 ASCII 码，只需通过以下初始化把字母A赋给变量即可：

//以变量名为grade为例
char grade = 'A';

在 C 语言中，用单引号括起来的单个字符被称为字符常量。编译器一发现’A’，就会将其转换成相应的代码值。

char ibs;	//声明一个char类型变量
char ibs='T';	//正确赋值
char ibs=T;		//错误！T为变量
char ibs="T";	//错误！"T"是一个字符串

4.3 非打印字符

单引号只适用于字符、数字和标点符号，浏览ASCII表会发现，有些ASCII字符打印不出来。例如，一些代表行为的字符（如，退格、换行、终端响铃或蜂鸣）。C语言提供了3种方法表示这些字符。第1种方法前面介绍过——使用ASCII码。例如，蜂鸣字符的ASCII值是7，因此可以这样写：char beep = 7; 第 2 种方法是，使用特殊的符号序列表示一些特殊的字符。这些符号序列叫作转义序列

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4.4 打印字符

printf()函数用%c指明待打印的字符。一个字符变量实际上被储存为1字节的整数值因此，如果用%d转换说明打印类型变量的值，打印的是一个整数。而%c转换说明告诉printf()打印该整数值对应的字符。

#include <stdio.h>
int main()
{	//以字符C为例
	char ch;
	scanf("%c", &ch);
	printf("%d %c", ch, ch);
	return 0;
}

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5 _Bool类型

C99标准添加了_Bool类型，用于表示布尔值，即逻辑值true和false。因为C语言用值1表示true，值0表示false，所以_Bool类型实际上也是一种整数类型。但原则上它仅占用1位存储空间，因为对0和1而言，1位的存储空间足够了。

6 float、double和long double

各种整数类型对大多数软件开发项目而言够用了。然而，面向金融和数学的程序经常使用浮点数。C语言中的浮点类型有float、double和long double类型。浮点类型能表示包括小数在内更大范围的数。浮点数的表示类似于科学记数法（即用小数乘以10的幂来表示数字）。该记数系统常用于表示非常大或非常小的数。表3.3列出了一些示例。第1列是一般记数法；第2列是科学记数法；第3列是指数记数法（或称为e记数法），这是科学记数法在计算机中的写法，e后面的数字代表10的指数。

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C标准规定，float类型必须至少能表示6位有效数字，且取值范围至少是10-37～10+37。前一项规定指float类型必须能够表示33.333333的前6为数字，而不是精确到小数点后6位。后一项规定用于方便地表示诸如太阳质量（2.0e30千克）、一个质子的电荷量（1.6e-19库仑。通常，系统储存一个浮点数要占用32位。其中8位用于表示指数的值和符号，剩下24位用于表示非指数部分（也叫作尾数或有效数）及其符号。
C语言提供的另一种浮点类型是double（意为双精度）。double类型和float类型的最小取值范围相同，但至少必须能表示10位有效数字。一般情况下，double占用64位而不是32位。一些系统将多出的 32位全部用来表示非指数部分，这不仅增加了有效数字的位数（即提高了精度），而且还减少了舍入误差。另一些系统把其中的一些位分配给指数部分，以容纳更大的指数，从而增加了可表示数的范围。无论哪种方法，double类型的值至少有13位有效数字，超过了标准的最低位数规定。
C语言的第3种浮点类型是long double，以满足比double类型更高的精度要求。不过，C只保证long double类型至少与double类型的精度相同。

6.1 声明浮点型变量

float ibc,ibs;
double ibd;
float ibf=6.63e-34;
long double ibg;

6.2 浮点型常量

在代码中，可以用多种形式书写浮点型常量。可以没有小数点（如，2E5）或指数部分（如，19.28），但是不能同时省略两者。可以省略小数部分（如，3.E16）或整数部分（如，.45E-6），但是不能同时省略两者。

3.14159
.2
4e16
.8e-2
123.

Tips：
默认情况下，编译器假定浮点型常量是double类型的精度。

//假设some是浮点型变量
some=3.0*4.0;

通常，3.0和4.0被储存为64位的double类型，使用双精度进行乘法运算，然后将乘积截断成float类型的宽度。这样做虽然计算精度更高，但是会减慢程序的运行速度。

C99 标准添加了一种新的浮点型常量格式——用十六进制表示浮点型常量，即在十六进制数前加上十六进制前缀（0x或0X），用p和P分别代替e和E，用2的幂代替10的幂（即，p计数法）。如下所示：

0xa.1fp10

十六进制a等于十进制10，.1f是1/16加上15/256，p10是2^10或1024。0xa.1fp10表示的值是(10+1/16+15/256)×1024（即十进制10364.0）。

6.3 打印浮点值

printf()函数使用%f和%lf转换说明打印十进制记数法的float和double类型浮数，用%e打印指数记数法的浮点数。如果系统支持十六进制格式的浮点数，可用a和A分别代替e和E。打印long double类型要使用%Lf、%Le或%La转换明。给那些未在函数原型中显式说明参数类型的函数（如，printf()）传递参时，C编译器会把float类型的值自动转换成double类型。

#include <stdio.h>
int main()
{
	float ibs = 32000.0;
	double ibc = 2.14e9;
	long double ibf = 5.32e-5;
	printf("%f can be written %e\n", ibs, ibs);
	printf("And it's %a in hexadecimal,powers of 2 notation\n", ibs);
	printf("%f can be weitten %e\n", ibc, ibc);
	printf("%Lf can be written %Le\n", ibf, ibf);
	return 0;
}

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6.4 浮点值上溢和下溢

首先，我们来看看这段代码

#include <stdio.h>
int main()
{
	float toobig = 3.12E123*10000000;
	printf("%f", toobig);
	return 0;
}

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这是一个上溢的示例。当计算导致数字过大，超过当前类型能表达的范围时，就会发生上溢。这种行为在过去是未定义的，不过现在C语言规定，在这种情况下会给toobig赋一个表示无穷大的特定值，而且printf()显示该值为inf或infinity（或者具有无穷含义的其他内容）。
接下来在来看看这段代码

#include <stdio.h>
int main()
{
	float x = 0.1234E-2;
	printf("%f", x/10);
	return 0;
}

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当除以一个很小的数时，情况更为复杂。float类型的数以指数和尾数部分来储存。存在这样一个数，它的指数部分是最小值，即由全部可用位表示的最小尾数值。该数字是float类型能用全部精度表示的最小数字。现在把它除以 2。通常，这个操作会减小指数部分，但是假设的情况中，指数已经是最小值了。所以计算机只好把尾数部分的位向右移，空出第 1 个二进制位，并丢弃最后一个二进制数。以十进制为例，把一个有4位有效数字的数（如，0.1234E-10）除以10，得到的结果是0.0123E-10。虽然得到了结果，但是在计算过程中却损失了原末尾有效位上的数字。这种情况叫作下溢（underflow）。C语言把损失了类型全精度的浮点值称为低于正常的（subnormal）浮点值。因此，把最小的正浮点数除以 2将得到一个低于正常的值。如果除以一个非常大的值，会导致所有的位都为0。

7 复数和虚数类型

许多科学和工程计算都要用到复数和虚数。C99 标准支持复数类型和虚数类型，但是有所保留。一般而言，虚数类型都是可选项。C11标准把整个复数软件包都作为可选项。
简而言之， C 语言有 3 种复数类型： float_Complex 、double_Complex和long double _Complex。例如，float _Complex类型的变量应包含两个float类型的值，分别表示复数的实部和虚部。类似地， C 语言的 3 种虚数类型是 float _Imaginary 、 double_Imaginary和long double _Imaginary。