整型及相关运算符 【Go语言圣经笔记】

整型及相关运算符

Go语言的数值类型包括几种不同大小的整数、浮点数和复数。每种数值类型都决定了对应的大小范围和是否支持正负符号。让我们先从整数类型开始介绍。

Go语言同时提供了有符号和无符号类型的整数运算。Go中有int8、int16、int32、int64四种截然不同大小的有符号整数类型，同时对应uint8、unit16、uint32、uint64四种无符号整数类型。

Unicode字符rune类型是和int32等价的类型，通常表示一个Unicode的码点，这两个类型可以互换使用。byte类型也是uint8的等价类型，byte类型一般用于强调数值是一个原始的数据而不是小的整数。

最后，还有一种无符号的整数类型unitptr，没有指定具体的bit大小但是足以容纳指针。unitptr类型只有在底层编程时才需要，尤其是Go语言和C语言函数库或操作系统接口交互的地方。

不管具体的大小，int、uint、uintptr是不同类型的兄弟类型。int和int32也是不同的类型，即使他们都是21bit，在需要将int当成int32类型的地方需要一个显式的类型转换操作，反之亦然。

有符号整数采用2的补码形式表示，也就是最高位bit位用来表示符号位，一个n-bit的有符号数的值域是从 -2^{n-1}

到 2^{n-1}-1 之间。无符号整数的所有bit位都用于表示非负数，值域是0到 2^{n-1} 。例如：int8类型整数的值域是-128～127，而uint8类型整数的值域是从0到255。

下面是Go语言中关于算术运算、逻辑运算和比较运算的二元运算符，按照优先级递减的顺序排列：

* / % << >> & &^
+ - | ^
== != < <= > >=
&&
||

&^: 将运算符左边数据相异的位保留，相同位清零。

fmt.Println(0&^0)  // 0
fmt.Println(1&^0)  // 1
fmt.Println(0&^1)  // 0
fmt.Println(1&^1)  // 0

特点：

1. 如果右边位是0，则左边对应位保持不变
2. 如果右边位是1，则左边位一定清零
3. 功能和a&(^b)相同

二元运算符有五种优先级。在同一个优先级，使用左优先结合规则，但是使用括号可以明确优先顺序，使用括号也可以用于提升优先级，例如mask&(1<<28)

上表中前两行的运算符，例如+运算符还有一个与赋值相结合的对应运算符+=，可以简化赋值语句。

算术运算符+、-、*和/可以适用于整数、浮点数和复数，但是取模运算符%仅用于整数间的运算。对于不同编程语言，%取模运算的行为可能并不相同。在Go语言中，%取模运算符的符号和被取模数的符号总是一致的，因此-5%3和-5%-3结果都是-2。除法运算符/的行为则依赖于操作数是否全为整数，比如5.0/4.0的结果是1.25，但是5/4的结果是1，因为整数除法会向着0方向截断余数。

一个算术运算的结果，不管是有符号或者是无符号的，如果需要更多的bit位才能正确表示的话，就说明计算结果是溢出了。超出的高位的bit位部分将被丢弃。

如果原始的数值是有符号类型，而且最左边的bit位是1的话，那么最终结果可能是负的，例如int8的例子：

var u uint8 = 255
fmt.Println(u, u+1, u*u)  // 255 0 1

var i int8 = 127
fmt.Println(i, i+1, i*i)  // 127 -128 1

两个相同的整数类型可以使用下面的二元比较运算符进行比较；比较表达式的结果是布尔类型(ture or false)。

事实上，布尔型、数字类型和字符串等基本类型都是可比较的，也就是说两个相同类型的值可以用==和!=进行比较。此外，整数、浮点数和字符串可以根据比较结果排序。许多其它类型的值可能是不可比较的，因此也就可能是不可排序的。对于我们遇到的每种类型，我们需要保证规则的一致性。

一元加法减法运算符：

+ // 一元加法 无实际效果
- // 负数 即负号 或者 符号取反

对与整数+x是0+x的简写，-x是0-x的简写；对于浮点数和负数，+x就是x，-x则是x的负数。

位操作运算符，前4个操作运算符不区分有符号还是无符号：

&  // AND
|  // OR
^  // XOR
&^ // AND NOT
<< // 左移
>> // 右移

位操作运算符^作为二元运算符时是按位异或（XOR），当用作一元运算符时表示按位取反；也就是说，它返回一个每个bit位都取反的数。位操作运算符&^用于按位置零（AND NOT）：如果对应y中bit位为1的话, 表达式z = x &^ y结果z的对应的bit位为0，否则z对应的bit位等于x相应的bit位的值。

下面的代码演示了如何使用位操作解释uint8类型值的8个独立的bit位。它使用了Printf函数的%b参数打印二进制格式的数字；其中%08b中08表示打印至少8个字符宽度，不足的前缀部分用0填充

var x uint8 = 1<<1 | 1<<5
var y uint8 = 1<<1 | 1<<2

fmt.Printf("%08b\n", x) // "00100010", the set {1, 5}
fmt.Printf("%08b\n", y) // "00000110", the set {1, 2}

fmt.Printf("%08b\n", x&y)  // "00000010", the intersection {1}
fmt.Printf("%08b\n", x|y)  // "00100110", the union {1, 2, 5}
fmt.Printf("%08b\n", x^y)  // "00100100", the symmetric difference {2, 5}
fmt.Printf("%08b\n", x&^y) // "00100000", the difference {5}

for i := uint(0); i < 8; i++ {
    if x&(1<<i) != 0 { // membership test
        fmt.Println(i) // "1", "5"
    }
}

fmt.Printf("%08b\n", x<<1) // "01000100", the set {2, 6}
fmt.Printf("%08b\n", x>>1) // "00010001", the set {0, 4}

在x<<n和x>>n移位运算中，决定了移位操作的bit数部分必须是无符号数；被操作的x可以是有符号数或无符号数。算术运算上，一个x<<n左移运算等价于乘上 2^n ，一个x>>n右移运算等价于除以 2^n 。

左移运算用零填充右边空缺的bit位，无符号数的右移运算也是用0填充左边空缺的bit位，但是有符号数的右移运算会用符号位的值填充左边空缺的bit位。基于此，如果想使用移位最好用无符号运算，这样你可以将整数完全当作一个bit位模式处理。

尽管Go语言提供了无符号数的运算，但即使数值本身不可能出现负数，我们还是倾向于使用有符号的int类型，就像数组的长度那样，虽然使用uint无符号类型似乎是一个更合理的选择。事实上，内置的len函数返回一个有符号的int，我们可以像下面例子那样处理逆序循环（笔者觉得数组的长度使用int型是基于长度不可能是一个负值这样的自然逻辑）。

medals := []string{"gold", "silver", "bronze"}
for i := len(medals) - 1; i >= 0; i-- {
    fmt.Println(medals[i]) // "bronze", "silver", "gold"
}

无符号数往往只有在位运算或其他特殊的运算场景才会使用，就像bit集合、分析二进制文件格式或是哈希加密操作等，它们通常不用于仅仅是表达非负数量的场合。

一般来说，需要一个显式的转换将一个值从一种类型转化为另一种类型，并且算术和逻辑运算的二元操作中必须是相同的类型。虽然这偶尔会导致需要很长的表达式，但是它消除了所有和类型相关的问题，而且也使得程序容易理解。

类型不匹配是一种常见的代码错误：

var apples int32 = 1
var oranges int16 = 2
var compote int = apples + oranges // compile error

// invalid operation: apples + oranges (mismatched types int32 and int16)

常见的修改方式即显式转换为同一类型：

var compote = int(apples) + int(oranges)

对于每种类型T，如果转换允许的话，类型转换操作T(x)将x转换为T类型。许多整数之间的相互转换并不会改变数值；它们只是告诉编译器如何解释这个值。但是对于将一个大的整数类型转为一个小的整数类型，或者是将一个浮点数（高精度）转为整数（低精度），可能会改变数值或丢失精度：

f := 3.141 // a float64
i := int(f)
fmt.Println(f, i) // "3.141 3"
f = 1.99
fmt.Println(int(f)) // "1"

浮点数到整数的转换将丢失任何小数部分，然后向数轴零方向截断。你应该避免对可能会超出目标类型表示范围的数值做类型转换，因为截断的行为可能依赖于具体的实现：

f := 1e100  // a float64
i := int(f) // 结果依赖于具体实现 （笔者注：int类型的实现方式会影响截断的方式，进而影响转换后f的值。）

任何大小的整数字面值都可以用以0开始的八进制格式书写，例如0666；或用以0x或0X开头的十六进制格式书写，例如0xdeadbeef。十六进制数字可以用大写或小写字母。如今八进制数据通常用于POSIX操作系统上的文件访问权限标志，十六进制数字则更强调数字值的bit位模式。

可以用%d、%o或%x参数控制输出的进制格式：

o := 0666
fmt.Printf("%d %[1]o %#[1]o\n", o) // "438 666 0666"
x := int64(0xdeadbeef)
fmt.Printf("%d %[1]x %#[1]x %#[1]X\n", x)
// Output:
// 3735928559 deadbeef 0xdeadbeef 0XDEADBEEF

请注意fmt的两个使用技巧：

• 通常Printf格式化字符串包含多个%参数时将会包含对应相同数量的额外操作数，但是%之后的[1]副词告诉Printf函数再次使用第一个操作数。
• %后的#副词告诉Printf在用%o、%x或%X输出时生成0、0x或0X前缀。

字符类型对应一个整型值，通过一个单引号直接包含对应字符。最简单的例子是ASCII中类似 `a` 这样的写法，可以通过转义的数值来表示任意的Unicode码点对应的字符，例子如下：

ascii := 'a'
unicode := '国'
newline := '\n'
fmt.Printf("%d %[1]c %[1]q\n", ascii)   // "97 a 'a'"
fmt.Printf("%d %[1]c %[1]q\n", unicode) // "22269 国 '国'"
fmt.Printf("%d %[1]q\n", newline)       // "10 '\n'"

字符使用%c格式控制字符打印，也可以使用%q打印带单引号的字符。