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C语言深入探究sizeof与整型数据存储及数据类型取值范围

2024-04-02 19:04:59 606人浏览八月长安

摘要

目录1.关键字sizeof2.整型数据存储深入3.数据类型取值范围深入1.关键字sizeof sizeof 与 strlen 是我们日常打代码时经常使用到的两个“工具&r

1.关键字sizeof

sizeof 与 strlen 是我们日常打代码时经常使用到的两个“工具”。前者是求变量或者类型的大小(单位为字节)，后者是求某一字符串的长度。我们很容易产生这样一个误解，即把 sizeof 和 strlen 归为函数一类。事实上 sizeof 并不是一个函数，它是一个操作符、关键字。我们通过一段代码证明它不是函数：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 20;
	printf("%d\n", sizeof(n));
	printf("%d\n", sizeof(int));
	printf("%d\n", sizeof n);
	return 0;
}

我们注意到红线部分的 sizeof 后面的变量名没有加括号也能正常运行：

这就证明了 sizeof 它不是一个函数，而是一个操作符、关键字。

在这里顺便复习一下关于数组的知识，即数组名的两个特例(除了这两种情况其他任何时候数组名都表示数组首元素地址)：

sizeof 内单独放数组名，其数组名表整个数组。
& 数组名，表取整个数组的地址。

由此也可以看出 sizeof 与函数的区别。

2.整型数据存储深入

变量的作用是在内存中开辟一块空间，而类型则决定了这块空间有多大。

我们可以与 sizeof 结合起来验证这个问题：

#include <stdio.h>
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(char));
	printf("%d\n", sizeof(short));
	printf("%d\n", sizeof(int));
	printf("%d\n", sizeof(long));
	printf("%d\n", sizeof(long long));
	return 0;
}

我们知道，计算机只能识别二进制，恰恰计算机系统又能把我们人类熟练使用的十进制转换成二进制，并且产生相应的原码、反码、补码。设计计算机的人设计出这样一套规则是非常巧妙的。

我们引出原码、反码、补码如何计算以及他们之间如何转换：

原码：将数字直接翻译成二进制得到的序列。
反码：在原码的基础上符号位(二进制序列的最高位，1表负数，0表负数)不变，替他位按位取反得到的序列。
补码：在反码的基础上加1。
补码计算回原码方法一：补码减1，然后符号位不变，其他位按位取反得到原码。
补码计算回原码方法二：补码符号位不变，其他位按位取反，然后加1。此方法与原码计算补码的方式是一样的，这样做的意义在于 CPU 进行数据处理时，只要设计一套计算方法就可以完成原码、反码、补码之间的相互转换。

那么具体的例子，在数据的存储——整形篇有讲到，这里就不赘述。

我们需要明白的是：数据存储到变量当中，不会受到类型的影响。什么意思呢？我们举个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
	unsigned int p = -10;
	return 0;
}

大家可以看到，我把一个负数存入到无符号的整型变量 p 中，这有些违反我们的直觉，无符号类型不是不存在负数的概念吗？事实上，不是程序出错，而是我们的直觉有问题。

我们在一开头便阐述了变量的作用在内存中开辟一块空间，而类型便是决定开辟多大的空间。就好比说，我们有 100 ，放在了我的荷包里，那我们能说我有 100 块吗？就算是钱，我们定义它是美元、港币、日元了吗？所以，我们可以把变量看成 100 ，类型看成是美元、港币、日元等等。

到这里，我们就可以清楚，数据的存储与变量的类型是没有关系的，变量的作用仅仅是开辟一块空间让我们的数据存储进去。聊到这里，不妨让我们再回顾一下，整型数据是如何存放在变量(内存)里面的。我们就以上面那段代码为例：

这里再提一嘴：虽然内存中存放的是二进制序列，但为了我们方便，内存还是会以十六进制的表现形式表现出来。

我们试探性往内存里面看 p 变量里面存的是什么东西：

可以发现，内存里面的各种数据都对上了我们分析的结果，但是看起来有点“怪”。我们就来分析“怪”在哪里：

我们知道 int 类型是有 4 个字节的，那么数据占了 4 个字节没有问题。那么如果是以 1 列的形式查看地址，可以看到从上到下的地址是递增的。

现在我们以 4 列的形式查看地址，可以看到从左往右地址递增，从上往下地址递增。

得出一个现象：f6 存在了我们的低地址处。

我们似乎可以这样做推导：

这样的存储模式我们叫做小端存储。为什么这样的模式叫做小端存储？我们使用这个案例来类比：

所以我们得出结论，小端与大端的存储模式可以定义为：

权重小的数位放入内存中的低地址处，权重大的放入内存中的高地址处，这样的存储模式叫小端存储。
权重小的数位放入内存中的高地址处，权重小的放入内存中的低地址处，这样的存储模式叫大端存储。

为什么会有这种看似复杂的存储模式？我们可以举一个例子：我们大家都吃过鸡蛋，有些人剥壳喜欢往小的那一头剥，有的人喜欢往大的那一头剥，也就是“剥鸡蛋”这个动作，没有统一的行为概念。硬件制作厂商也不例外，有的厂商想让数据的存储行为是小端，也有的厂商想让数据以大端的模式进行存储，只不过我们平时所接触的硬件，都是以小端模式存储字节序的。

我们讨论了数据的存储，现在我们来讨论一下数据的“取出”规则。

好比说我们举这个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
	unsigned int p = -10;
	printf("%u\n", p);
	printf("%d\n", p);
	return 0;
}

我们可以看到，对于 -10 存储在内存当中，我们第一次使用 %u 的形式将它从内存里拿出来，第二次使用 %d 的形式将它从内存中拿出来。

我们可以看到，对于不同类型的使用方式就会造成不同的结果。我们似乎可以这样断定：数据类型不会影响数据的存储，但一定会影响数据的取出(使用)。我们来分析一下为什么使用不同的类型打印能造成不同的结果：

所以我们再总结一次：变量的数据类型不会对数据的存储产生影响(截断也不能算成是一种影响)，但数据类型一定会影响数据的取出、使用。

3.数据类型取值范围深入

什么叫数据类型的取值范围？好比说我们有这样一个例子：

那么我们取 C 语言中大小最小的数据类型 char 来讨论数据类型的取值范围。

我们知道，char 类型只有 1 个字节，它有 8 个比特位。无符号类型的 char 我们就不做讨论，我们重点讨论无符号类型的 char 。那么 8 个比特位，能有多少种排列组合？能从什么值取到什么值？

那么通过演绎推理，得出来排列组合得个数，有什么意义呢？可以确定八个比特位能存放多少个数字。例如两个比特位能存放 4 个数字，三个比特位能存放 8 个数字，八个比特位能存放 256 个数字。

现在我们的重点在于：char 类型的八个比特位，能存哪 256 个数字？

可以看到这个结果，取值范围似乎是 [-127,127] ，但是这个区间里面只有 255 个数，那我们理论推导出来的结果是 256 个数，是我们推导错了吗？其实不然，我们应该注意 1000 0000 后面的那个问号：如果这串二进制序列真表示 0 了，那么就有两个 0 了，但是在计算机在考虑取值范围的时候，是不会浪费任何一个比特位来存放相同的数字的。

那么既然冲突了，就要在两个边界任意一端扩充。那么是 128 还是 -128 呢？只能是 -128 。在这里，我们就已经踏入计算机的知识边界了，为什么只能是 -128 它是个数学问题，就好比为什么会设计出原码、反码、补码一样，我们是无法理解设计计算机的人为什么会这样设计的。所以在这里只需记住，char 类型的取值范围是 [-2^7,2^7-1] 。那么我们类比出来 short 类型的取值范围是 [-2^15,2^15-1] , int 类型的取值范围是 [-2^31,2^31-1] ……

我们来看一个非常经典的例题：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
	char arr[1000];
	for (int i = 0; i < 1000; i++)
	{
		arr[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d\n", strlen(arr));
	return 0;
}

那么这道题要我们输出 arr 数组的长度是什么意思呢？我们再好好想想 strlen 。strlen 是求字符串长度，我们模拟实现过 strlen 的工作机制，知道遇到 '\0' 时就停止，返回 '\0' 之前的字符长度。那么 '\0' 就是数学意义上的 0 。其 '\' 是转义字符，如果仅仅写 '0' 的话，那么这个 '0' 并非数学意义上的 0 ，而是一个字符 0 。

好的，那我们知道这段代码会循环 1000 次对数组赋值。实际上我们的输出的要求是：输出 '\0' 出现之前的字符长度。我们可以这么运算：