4. C语言 -- 一个由数据类型和取值范围引发的 BUG

(｡･∀･)ﾉﾞ嗨，失踪人口回归啦！！！

之前看到有人留言催更，老夫的心里的竟然有一丝惊喜和兴奋。上周说要改版嘛( 。＿ 。） ✎然后我就紧赶慢赶出了这篇稿子，但是由于一些原因，在今天才与大家间面。

之前就有小伙伴留言说建议在上次的内容后面加上数据类型，反码补码等知识。我还很是激动的，居然猜出了我今天要讲的内容。

首先强调，忘记了上节课内容的同学一定要回顾下哦！在《3. C语言 -- 叫你一声你敢答应嘛》的 2.3 部分讲到 char 字符型，占用一个字节；而 int 整型，通常反映了所用机器中整数的最自然长度。那一个字节和机器中整数的最自然长度到底是多大的呢？今天就给大家介绍一下 C 语言中的数据类型和取值范围。

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，也说明了所需的内存的大小，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在之前介绍过了；其中的_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

short int<=int<=long int<=long long int

注意哦，是小于等于，不是小于哦！

• 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 (可以表示负数)，而 unsigned 表示不带符号位 (只能表示正数)。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），再加上符号位的限定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。

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，有许多的 Warning，根据提示可知，这是由于sizeof返回的是一个long unsigned int的变量，所以使用 %d作为占位符有可能溢出，修改方法是将上面的%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。

但是我们如果强制将无符号数赋值为负数呢？代码如下

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。

２

取值范围

2.1

比特与字节

CPU能读懂的最小单位是比特位，记为bit，b，只能取 0 1 两个数字；内存机构的最小寻址单位是字节，记为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？你可以先思考一下再看下面的内容~

2.2 符号位

对于的 11111111，如果它对应一个无符号变量，那么其表示十进制的数字255（即 2^8 -1=255）。但是对于存放signed类型的数据，左边第一位表示符号位。符号位为0，表示正整数；为1，表示负整数。一个8位的整型变量，除去左边第一位符号位，剩下表示值的只有7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：

• 先取得该数的绝对值的二进制形式，符号位置为1；
• 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）；
• 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。

那聪明的你现在一定知道将无符号整型赋值为-1，打印输出却是 65535 的原因了吧~如果知道的话可以留言回复哦~

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

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 2^32 -1 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。那如何进行修改呢？肯定不是修改一处啦，想好了也可以留言回复哦~