本博客主要内容为 “小甲鱼” 视频课程《带你学C带你飞》【第一季】 学习笔记，文章的主题内容均来自该课程，在这里仅作学习交流。在文章中可能出现一些错误或者不准确的地方，如发现请积极指出，十分感谢。
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1. 数据类型
在 C 语言里，数据类型即说明了它是什么类型的数据，更重要的是存储这类数据所需的内存的大小，C 语言允许使用的类型如下：
在基本类型中的整数类型、浮点数类型和字符类型都已经在之前的文章中使用过了，这里面的_Bool是布尔型，只能取 0 和 1 两个值；另一个是枚举类型（enum），这个类型将在后面的部分进行介绍。
其余的数据类型，如指针类型、构造类型和空类型也将在后面的部分进行介绍。
1.1 数据类型的限定符
- short , long, long long
我们可以为这些基本数据类型加上一些限定符，比如表示长度的 short 和 long。比如 int 经过限定符修饰之后，可以是 short int，long int，还可以是 long long int。其中 short int表示所占内存比int小的数据类型，而long int表示所占内存比int大的数据类型。
在 C 语言并没有限制 int 的大小，更没有限制short int等带限定符的数据类型的大小，只是规定了
- signed 和 unsigned
还有一对类型限定符是 signed 和 unsigned，它们用于限定 char 类型和任何 int 类型变量的取值范围。signed 表示该变量是带符号位的，而 unsigned 表示该变量是不带符号位的。带符号位的变量可以表示负数，而不带符号位的变量只能表示正数，它的存储空间也就相应扩大一倍。默认所有的整型变量都是 signed 的，也就是带符号位的。
对于 int 类型的变量来说，有四种表示长度的限定符（除int本身外，还有 short，long 和 long long），在加上符号位的限定signed和 unsigned，所以一共存在着 8 种int 类型的变量。
1.2 sizeof 运算符
sizeof 用于获得数据类型或表达式的长度，它有三种使用方式：
- sizeof(type_name); //sizeof(类型)，即某一种类型的变量所占内存大小;
- sizeof(object); //sizeof(对象)，即某一个对象所占内存大小;
- sizeof object; //sizeof 对象，查看对象占用内存大小的另一种表达方式;
1.3 举例说明
下面的程序将使用sizeof输出每一种数据类型或者每一个变量的在内存中所占的大小，具体地是使用8 种int 类型的变量进行说明。
#include <stdio.h>
int main()
{
unsigned int a;
signed int b;
a = 123;
printf("size of i is %d\n", sizeof(a));
printf("size of int is %d\n", sizeof(unsigned int));
printf("size of short int is %d\n",sizeof(short int));
printf("size of int is %d\n",sizeof(int));
printf("size of long int is %d\n",sizeof(long int));
printf("size of long long int is %d\n",sizeof(long long int));
printf("size of signed int is %d\n", sizeof(signed int));
printf("size of unsigned int is %d\n", sizeof(unsigned int));
return 0;
}
在 64 位的 Ubuntu 使用 gcc 编译执行上面的代码可以看到如下的结果
如上图所示，我们可以看到许多的 Warning，根据提示我们可以知道，这是由于sizeof返回的是一个long unsigned int的变量，所以使用 %d作为占位符就有可能出现溢出的现象，这里修改的方法是将上面的%d改为%ld。
分析输出的结果，通过第 1 行和第 2 行输出可以看出对于某一种数据类的变量，变量和数据类型的大小是相同的，这是很显然的；其次通过第 3 行到第 6 行可以看到，数据类型的长度满足上面的不等式short int <= int <= long int <= long long int的要求；通过最后两行可以看出，对于同一种数据类型，signed 和 unsigned只是最高位bit的意义，数据长度不会被改变的。
在上面给我们将有符号数赋值为负数，将无符号数赋值为整数，但是我们如果强制将无符号数赋值为负数
#include <stdio.h>
int main()
{
short a;
unsigned short b;
a = -1;
b = -1;
printf("a is %d\n", a);
printf("b is %d\n", b);
return 0;
}
输出的结果如下图所示
我们可以看到无符号数 b果然没有输出对应的 -1 ，但是为什么输出 65535 呢？这就与数据类型的取值范围有关了。下面的一小节将介绍数据的取值范围。
2. 取值范围
2.1 比特与字节
CPU能读懂的最小单位 —— 比特位，bit，b，即 0 1 两个数字；内存机构的最小寻址单位 —— 字节，Byte，B。如下图所示，为字节和比特之间的关系
因此一个字节所能存储的最大数字是二进制的11111111。那这个二进制的数字对应十进制的数字是多少呢？是不是 255 呢？这还要取决于改二进制数字的符号位。
2.2 符号位
对于上面的 11111111，如果他对应一个无符号变量，那么与他对应的是十进制的数字255（即
）。但是对于存放signed类型的存储单元中的数据，左边第一位表示符号位。如果该位为0，表示该整数是一个正数；如果该位为1，表示该整数是一个负数。一个32位的整型变量，除去左边第一位符号位，剩下表示值的只有31个比特位。
事实上计算机是用补码的形式来存放整数的值，其中正数的补码是该数的二进制形式，而负数的补码需要通过以下几步获得：
(1) 先取得该数的绝对值的二进制形式，符号位置为1；
(2) 符号位不变，将第1步的值按位取反（即将 0 都变为 1，1 都变为 0）；
(3) 符号位不变，最后将第2步的值加1。
如下图为正数 7 和负数 -7 的补码
一个字节的有符号数的取值范围如下图所示
其中我们可以看到负数最高可以到 -128，而正数最高只能到127，这是为什么呢？主要因为 0 也占据了整数中的一部分，所以导致正数最高只能到127。
现在 1.3 中的问题就很好解释了，-1 的补码是 11111111，这个数据正好对应着无符号数中的 65535，所以将 -1（也就是 11111111）赋值给无符号数 b 之后输出的是 65535。
2.3 基本数据类型的取值范围
基本数据类型的取值范围如下面的两张图所示，一张图主要是字符型和整数型，另一张图主要是小数型。
2.4 举例说明
下面是一个通过 “计算指数值” 的程序来说明取值范围这一概念，如下所示
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main()
{
int result = pow(2,32) - 1;
printf("result is %d\n", result);
return 0;
}
在Ubuntu16.04下面使用 gcc 编译执行可以使用下面这条命令
gcc -lm tmp.c && ./a.out
其中的 lm 表示表式我们使用了<math.h> 这个头文件，&&省略了原本的 -o 的操作，此时生成的可执行文件名为 a.out，通过上面的语句进行编译执行得到如下的结果
可以看到 gcc 给出了 Warning 中指出了常量转换溢出（overflow），然后我们可以验证一下上面给出的结果是否正确。通过计算器可以知道
的正确结果是 4294967295，与上面给出的结果不符。
出现这个的问题在于，在默认情况下 int 为有符号型，所以第一位是符号位，不能用来存放数字，所以如果我们将 32 位都拿来存放数字很容易溢出的现象。所以这个时候可以将 result 声明为 unsigned int，如下所示
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main()
{
unsigned int result = pow(2,32) - 1;
printf("result is %u\n", result);
return 0;
}
这时的结果为 4294967295 ，即正确答案。但是细心的同学也可以发现我们不仅仅将 int 修改为 unsigned int，在 printf 语句中也将占位符 %d 改变为 %u，因为此时的 result 是一个无符号数。
参考
[1] “小甲鱼” 视频课程《带你学C带你飞》【第一季】P6
[2] “小甲鱼” 视频课程《带你学C带你飞》【第一季】P7
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