程序說到底就是對數(shù)據(jù)的處理，所以首先要弄清楚需要處理哪些數(shù)據(jù)，計算機如何存儲這些數(shù)據(jù)。C語言根據(jù)需要，抽象出了一些基本數(shù)據(jù)類型和衍生數(shù)據(jù)類型。這些可以滿足大部分需求，更復(fù)雜的抽象數(shù)據(jù)類型亦可通過它們來組成。

1. 數(shù)據(jù)存儲

計算機存儲的最小單位是bit，它表示0或1。而計算機可尋址的最小單位是byte，它至少由8個bit組成，內(nèi)存就是由許多個byte組成并編址的。有OS時，C操作的是邏輯地址，OS會最終轉(zhuǎn)為物理地址。

一個數(shù)據(jù)由多個bit組成，按照二進制的表示習(xí)慣，將最左側(cè)的bit叫做MSB（Most Significant Bit），最右側(cè)的bit叫做LSB（Least Significant Bit），這里的significant當然是指該bit表示的數(shù)量級。這些bit會劃分到連續(xù)的byte中，存儲時byte的順序基于系統(tǒng)或平臺。這又引出了大小端（Endian）的概念，LSB存儲在高地址時叫Big Endian，否則叫Little Endian。但無論如何，該數(shù)據(jù)的地址都是指最低地址。而且進一步講，數(shù)組和結(jié)構(gòu)成員的地址也是按它們的指數(shù)或定義順序向高地址增長的，即使在棧里也不例外（棧底一般在高地址，棧頂向低地址增長）。

C提供了關(guān)鍵字sizeof獲取數(shù)據(jù)或類型占用內(nèi)存的大小，結(jié)果以byte為單位。sizeof后如果跟括號，里面可以是類型或表達式，否則后面只能跟表達式。sizeof是運算符而不是函數(shù)，它的結(jié)果在編譯時確定。如果操作對象是表達式，則返回其對應(yīng)類型的大小，而不會執(zhí)行表達式。

計算機處理數(shù)據(jù)的單位叫word，我們一般說的32位64位計算機就是指word。為了提高處理效率，數(shù)據(jù)盡量不要或少跨word存儲。這就需要數(shù)據(jù)的存儲地址是數(shù)據(jù)長度的整數(shù)倍，和類型長度一樣，對齊的單位一般是2的冪?；绢愋蛯R單位是其類型長度，組合類型（數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合）的對齊單位是其成員的最大對齊單位。由于默認對齊的存在，組合類型的成員之間可能有一些空隙，sizeof的結(jié)果可能不是簡單的累加了。但要注意，組合類型的成員總是盡量向低地址靠齊，所以組合類型的開頭是不會有空隙的。

新規(guī)范中引入了關(guān)鍵字_Alignof和_Alignas（同sizeof一樣不是函數(shù)），新引入的關(guān)鍵字一般以'_'和大寫字母開頭（為了不和編譯器的擴展或用戶自定義沖突），如果想用小寫字母開頭的，需要include對應(yīng)的標準庫（宏定義）。_Alignof后跟類型，得到類型的對齊單位。_Alignas后跟類型或整數(shù)常量，用來修飾類型或變量定義，但它不能小于其原有的對齊單位。

C中數(shù)據(jù)一般叫對象（object），不同的數(shù)據(jù)會有不同的類型（type）。類型決定了數(shù)據(jù)的長度和格式，除此之外的類型屬性（比如const）只有編譯器能看到，而對計算機是透明的。C定義了char、int、float、double四種基本型，還有兩個特殊類型void和枚舉，以及它們的衍生（derived）類型（指針、數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合、函數(shù)）?；拘秃兔杜e并稱為代數(shù)型（arithmetic），代數(shù)型和指針并稱為度量型（scalar），數(shù)組和結(jié)構(gòu)并稱為聚合型（aggregate）。整型（interger）包括char、int和枚舉，浮點型包括float和double，整型和浮點型并稱實數(shù)型（real）。新規(guī)范中還定義了可選關(guān)鍵字_Bool、_Complex和_Imaginary，個人認為可以當做基本型，而且_Bool可以劃到整型里。

類型前可以有多種修飾符，它們有不同種類和用途，這里先介紹一類叫類型說明符（非規(guī)范定義）。包括short、long、long long（新規(guī)范）、signed和unsigned，它們僅作用于基本型，且長度和符號可以組合使用。所有的說明符都可以修飾int，int默認為signed（可不寫），有說明符時int可不寫。signed、unsigned可修飾char，long可修飾double，其它用法皆非法。

2. 數(shù)據(jù)類型

2.1 整型

整型數(shù)有不同的長度，其中char始終為1，int一般為字長，枚舉與int一樣，_Bool基于實現(xiàn)。short至少16bit且不超過int，long至少32bit且不低于int，long long至少64bit且不低于long。無符號整型的值即它的二進制數(shù)的值，有符號整型的值基于平臺實現(xiàn)。少數(shù)老的平臺采用的是反碼表示法（1's complement），它概念簡單直觀，但卻不方便計算，個人認為注定被淘汰，沒有討論價值。現(xiàn)在幾乎所有的平臺都使用補碼表示法（2's complement），該模型更符合問題的本質(zhì)，自然也更便于計算。對于負數(shù)，補碼即0減去它的絕對值（有underflow），實現(xiàn)了正負數(shù)的平滑連接。

字符型包含char、wchar_t、char16_t和char32_t，其中char是基本類型，其它為int（帶說明符）的宏定義。char類型永遠是1個byte，可表示basic字符集，它的符號是基于實現(xiàn)的。字符常量用一對單引號表示，引號里為字符或轉(zhuǎn)義序列，引號前有可選前綴L、u和U（分別對應(yīng)后3種字符型）。字符常量本身的類型為int或unsigned int，它的值為引號中字符的編碼或轉(zhuǎn)義序列的值。引號中可以有多個字符，但它們在int中的存儲位置是不定義的。下表中列出了轉(zhuǎn)義序列及其含義：

int型常量以非0數(shù)字開頭則表示10進制數(shù)，0x或0X開頭表示16進制數(shù)，0開頭表示8進制數(shù)。后面可以有后綴U、L或LL（不限大小寫），分別表示unsigned、long和long long。U可以和L或LL組合，且順序隨意。int型可以按它能表示的最大數(shù)來排序，如果能表示的最大數(shù)相同，則按int、long、long long排序。一個可能的隊列為int、long、unsigned int、unsigned long、long long、unsigned long long。int型常量的類型以后綴類型（默認為int）為起點，從隊列中尋找第一個滿足規(guī)則且能包含其值的類型。規(guī)則是：（1）如果起點為unsigned，則嘗試signed；（2）如果起點為signed且為10進制數(shù)，則不嘗試unsigned。另外要注意，不存在負常量，它只是對正常量的負運算。

枚舉（enumeration）是一個特殊的自定義的類型，它為其每一個常量定義了名字，這些常量的值都是int型（可為負數(shù)）。枚舉常量的值可以顯式指明，或者為其前一常量加1，第1個常量的隱式值為0。枚舉常量可以像宏一樣使用，往往用于簡單的編號。

2.2 浮點型

浮點型的計算機表示由平臺決定，但幾乎所有實現(xiàn)都遵循規(guī)范IEC-60559（IEEE-754），這里簡單介紹一下該規(guī)范中的浮點表示。根據(jù)數(shù)據(jù)長度（精度），規(guī)范將浮點分為single、double和double-extended，分別對應(yīng)C中的float、double和long double。float和double的長度分別為32和64，long double未作明確定義。

從MSB到LSB，浮點型被分為符號位（sign，1位）、指數(shù)（exponent，8或11位）和尾數(shù)（fraction，23或52位），它可表示為以2為底的科學(xué)計數(shù)。

符號位是整個浮點數(shù)的符號，所以會存在正負0和正負無窮。指數(shù)被解釋為無符號整數(shù)，并減去一個偏差（bias）。偏差值會導(dǎo)致emaxemax比eminemin絕對值大1（考慮到倒數(shù)的溢出），比如float類型的偏差為127，emaxemax = 128，eminemin = -127。指數(shù)取最大值時，若尾數(shù)為0，整個數(shù)解釋為正負無窮大，否則為NaN（not a number）。指數(shù)為最小值時，尾數(shù)解釋為0.f0.f（denormalized），否則解釋為1.f1.f（normalized）。

實數(shù)是連續(xù)的，無法用計算機精確表示，整個浮點數(shù)空間可以看做是實數(shù)的采樣。對normalized區(qū)段，每個數(shù)量級的采樣數(shù)是相等的（ff的每一位都有意義），對denormalized區(qū)段，每個數(shù)量級的采樣數(shù)遞減（ff的實際有效位）。denormalized區(qū)段指數(shù)采用的是emin+1emin+1，而非eminemin，保證了和normalized區(qū)段的平滑過渡，很是巧妙！浮點數(shù)也支持正負無窮和NaN這類抽象值，為錯誤處理提供了很好的工具。超出表示邊界的值都是無窮大，無意義的數(shù)（0/00/0，0?∞0?∞）都表示為NaN，它們亦可參加運算，值視情況而定。浮點運算在運算時保持精度，但對結(jié)果進行舍入（每一個運算），舍入的方法是尾數(shù)為偶數(shù)（round to even）。

由于舍入或正負0的存在，和0的比較變得不可靠，所以不要判斷某浮點數(shù)是否為0。在比較兩個浮點數(shù)是否相等時，直接用a == b或a != b，不要將a - b與0比較。浮點的舍入會導(dǎo)致原本相近兩個數(shù)的差被掩蓋，有時調(diào)整算法可以減少誤差，讀者可以思考以下公式變換帶來的精度提高。

浮點常量一般以10為底，新規(guī)范支持以2為底的浮點常量（0x開頭），它可以避免精度的丟失。浮點常量的尾數(shù)部分不可少，10為底用10進制數(shù)，2為底用16進制數(shù)。尾數(shù)可以為整數(shù)或小數(shù)，若小數(shù)點前或后為0可不寫，但不能同時不寫。指數(shù)部分從字母e、E（10為底）或p（2為底）開始，后面都跟10進制數(shù)（為了和后綴中的F區(qū)分開來）。10為底的浮點常量可以沒有指數(shù)部分，但這時尾數(shù)不能為整數(shù)，否則會被解析為整型。2為底的浮點常量必須有指數(shù)，否則后綴F無法與尾數(shù)區(qū)分。浮點常量默認為double，后綴F和L（不分大小寫）分別表示float和long double，無類型提升（和常整型不同）。

新規(guī)范中支持復(fù)數(shù)（complex）和虛數(shù)（imaginary），但是可選功能。多數(shù)編譯器是用結(jié)構(gòu)來定義復(fù)數(shù)的，而不是用關(guān)鍵字_Complex和_Imaginary。復(fù)數(shù)和虛數(shù)必須由浮點型修飾，虛數(shù)常量ii是基于實現(xiàn)的。除ii外沒有復(fù)數(shù)常量，是由浮點數(shù)的類型提升完成的。

2.3 組合類型

這里的組合類型非標準定義，它指數(shù)組、結(jié)構(gòu)和聯(lián)合（以后將結(jié)構(gòu)和聯(lián)合叫復(fù)合類型）。組合類型由多個成員組成，每個成員可以為除void和函數(shù)之外的任何一種類型。組合類型是表示復(fù)雜類型的重要工具，也是抽象類型的必要元素。

數(shù)組由多個相同類型的成員組成，它們在內(nèi)存中連續(xù)分布，可以通過index獲取。C中沒有多維數(shù)組的概念，只有數(shù)組的數(shù)組，僅此而已。數(shù)組的長度不能為0，新規(guī)范支持結(jié)構(gòu)末尾的可變數(shù)組a[]（flexible array member），它相當于預(yù)定了一個數(shù)組的位置，而不一定有成員。含可變數(shù)組的結(jié)構(gòu)至少還有另外一個成員，且它不可以再做組合類型的成員。由于align的作用，可變數(shù)組與結(jié)構(gòu)最后一個成員之間可能有空隙，該結(jié)構(gòu)的sizeof結(jié)果包含該空隙。

字符串是一類特殊的數(shù)組，它的成員是字符型。字符串常量定義在一對雙引號中，其中可以是字符或轉(zhuǎn)義序列，也可以有L、u或U作前綴。字符串常量中不能換行，但可以有空格或tab。連續(xù)的字符串常量（中間可有空白）在預(yù)處理時會被拼接為一個，該特點便于書寫長字符串和分開轉(zhuǎn)義序列與普通字符，單字節(jié)字符串和寬字節(jié)字符串拼接的結(jié)果為寬字符。字符串常量（拼接后）末尾有一個隱式的字符'\0'，字符串函數(shù)把它當做結(jié)束符。任何字符串常量（包括初始化字符串）都會存儲在常量區(qū)，編譯器可以選擇合并相同的字符串常量。字符串常量可以直接當數(shù)組使用，但對其修改是未定義的。

結(jié)構(gòu)體中可以包含不同類型的成員，由它可以組成更復(fù)雜的抽象類型。如果從面向?qū)ο蟮慕嵌日f，對象的屬性體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的普通成員上，對象之間的關(guān)系則體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的指針成員上。結(jié)構(gòu)中還可以定義位域（bit field），位域是指定長度的整型，它被放置在word中。空間足夠時，相鄰位域緊靠之前的位域，否則未定義。未做顯式說明時，int位域的符號基于實現(xiàn)。對位域的操作效率比普通整型低，它往往用于緊湊空間或一致性需求（傳輸協(xié)議）。

聯(lián)合也可以包含不同類型的成員，但它們的地址都是一樣的（等于聯(lián)合本身的地址），也就是說成員在內(nèi)存里有重疊。聯(lián)合中也可以有位域，它們也是互相重疊的。聯(lián)合一般用于結(jié)構(gòu)的分情況解釋或數(shù)據(jù)的局部操作，后者的一個例子是大小端判斷。

基本類型和字符串都有常量表示，新規(guī)范中還支持復(fù)合常量（compound literal），它的定義方法是類型后加初始化序列。但復(fù)合常量本質(zhì)上是匿名變量，它和變量的性質(zhì)幾乎一樣，唯一的差別是const的復(fù)合常量和字符串常量有一樣的存儲屬性。

2.4 其它類型

void嚴格來說不是一個類型，單獨使用時表示“沒有”，僅用于表示函數(shù)返回、函數(shù)參數(shù)和表達式。void指針僅表示數(shù)據(jù)地址，而無數(shù)據(jù)的類型信息，它取代了舊規(guī)范庫中一些場合的char指針。

函數(shù)也是一種對象，它的類型由返回類型和參數(shù)類型共同決定。而且函數(shù)可以看作const的，因為它在代碼區(qū)，不可修改。

指針即帶有類型的地址，指針的長度是未定義的，但相同類型的指針長度是相同的。機器碼中的變量使用地址表示的，所以指針變量只不過是地址的地址，無需多做探討。如果說變量是對數(shù)據(jù)的一般化，則指針變量是對變量的一般化。這種更深層次的功能使得C更靈活更強大，但同時也更危險，因為它影響的不是某個數(shù)據(jù)。避免問題的關(guān)鍵就是一定要“指有所指”，未初始化的指針（dangling pointer）可能破壞任何數(shù)據(jù)。

空指針是一個特殊的指針常量，它不等于任何有意義的地址，它無法直接表示。常量0在特定語境下表示空指針，但最終的編譯結(jié)果未必是0。NULL大部分時候指空指針，宏NULL一定要定義成對0的強制轉(zhuǎn)換，以避免0的多義性。

還有一類指針常量就是靜態(tài)存儲的變量的地址以及函數(shù)的地址，它們可以用于初始化靜態(tài)存儲的變量（必須用常量初始化，見下章）。

3. 類型轉(zhuǎn)換

表達式中的操作符有時會引起操作數(shù)的類型轉(zhuǎn)換（type conversion），本節(jié)對這類轉(zhuǎn)換做一些總結(jié)。當新類型可以表示操作數(shù)時，轉(zhuǎn)換后的值不變。任何度量類型轉(zhuǎn)換為_Bool時，如果為0則轉(zhuǎn)為0，否則轉(zhuǎn)為1。向unsigned整型轉(zhuǎn)換時，若操作數(shù)是整數(shù)則取模，若為浮點則去掉小數(shù)部分（整數(shù)部分若超出新類型則未定義），若為復(fù)數(shù)則先去掉虛部。向signed整型轉(zhuǎn)換時，若操作數(shù)超出表示則未定義。向浮點數(shù)轉(zhuǎn)換時，若無法精確表示則舍入方法未定義。向復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換時，若操作數(shù)無虛部則結(jié)果虛部為0。

整型和指針可以互相轉(zhuǎn)換，但結(jié)果是未定義的。指針之間的轉(zhuǎn)換也可以，但align不一致時未定義。甚至不同類型的函數(shù)指針也可以轉(zhuǎn)換，但無意義。指針轉(zhuǎn)換并不改變所指向地址的內(nèi)容，用新指針取值時數(shù)據(jù)將被重新解釋。

除了顯式的強制轉(zhuǎn)換外，還會發(fā)生一些隱式的轉(zhuǎn)換，尤其常見于代數(shù)運算中。整型提升（integer promotion）將小整型提升為int或unsigned int，若int包含該小整型則轉(zhuǎn)為int，否則轉(zhuǎn)為unsigned int。整型提升僅發(fā)生于前置+-、~和移位的所有操作數(shù)，以及switch語句和常用代數(shù)轉(zhuǎn)換中。常用代數(shù)轉(zhuǎn)換（usual arithmatic conversion）發(fā)生在比較、算術(shù)（+-*/%）和位（&|^）運算中，它將兩個操作數(shù)轉(zhuǎn)換為相同的類型：

（1）若操作數(shù)中有浮點數(shù)，則向最高精度浮點數(shù)轉(zhuǎn)換。但整數(shù)無需做整型提升，實數(shù)無需向復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換。

（2）若操作數(shù)中沒有浮點數(shù)，則先做整型提升。提升后若一個類型包含另一個，則轉(zhuǎn)換為較大范圍者，否則轉(zhuǎn)換為較大范圍的無符號類型。

賦值操作、函數(shù)的參數(shù)傳遞和值返回也可以看做是隱式轉(zhuǎn)換，當不知道函數(shù)參數(shù)的類型時，整型要做整型提升，float要轉(zhuǎn)換為double（default argument promotion）。

另外還有兩個重要的隱式類型轉(zhuǎn)換必須弄清楚，就是數(shù)組名和函數(shù)名。數(shù)組名即表示整個數(shù)組，但在除sizeof、_Alignof和&作用下，數(shù)組名自動轉(zhuǎn)換為首元素的指針。字符串常量在以上3種情況和用作為數(shù)組初始化之外，也自動轉(zhuǎn)換為首元素的指針。函數(shù)名是函數(shù)類型，在除sizeof、_Alignof和&作用下，函數(shù)名自動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)函數(shù)類型的指針。

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