C语言基础：（二）C语言数据类型和变量

一、数据类型介绍

        C语言为我们提供了丰富的数据类型来描述我们生活中的各种数据。而“类型”指的就是相似的数据所拥有的共同的特征，只有当编译器知道了数据的类型，才能知道如何对数据进行处理。

        数据类型主要分为内置类型和自定义类型两大类。内置类型又分为字符型、整型、浮点型、布尔类型，而自定义类型分为数组、结构体（struct）、枚举（enum）、联合体（union）。本篇博客将主要对内置数据类型进行讨论。

1.1  字符型

        字符，即为character，在C语言中用 char 表示字符类型。

char //character
[signed] char //有符号的
unsigned char //⽆符号的

1.2  整型

        整数，即 integer ，在C语言中用 int 表示整数类型。

//整数 - integer

//短整型
short [int]
[signed] short [int]
unsigned short [int]

//整型
int
[signed] int
unsigned int

//⻓整型
long [int]
[signed] long [int]
unsigned long [int]

//更⻓的整型
//C99中引⼊
long long [int]
[signed] long long [int]
unsigned long long [int]

 1.3  浮点型

float        //单精度浮点型
double       //双精度浮点型
long double  //精度更高浮点型

1.4  布尔类型

        在早期的C语言中本不存在布尔类型的变量，而是用整数 0 表示假，非零值表示真。而在C99中引入了布尔类型，专门用于表示真假。 

        要想使用布尔类型，首先需要包含头文件 <stdbool.h> ，布尔变量类型的取值为：true 或 false。布尔类型在头文件中的定义如下：

#define bool _Bool

#define false 0
#define true 1

1.5  各种数据类型的长度 

        在C语言中，每种数据类型都有自己的长度，使用不同的数据类型则能够创建出不同长度的变量，变量的长度不同，储存的数据范围也会有所差异。

1.5.1  sizeof操作符

sizeof（ 类型 ）
sizeof 表达式

• sizeof 是C语言中的一个关键字，也是一种操作符，专门用于计算类型长度，单位是字节。
• sizeof的操作数可以是类型，也可以是变量或是表达式。
• sizeof的操作数如果不是类型而是表达式，则可以省略其后的括号。
• sizeof后的变大时不真实参与运算，大小是根据表达式的类型进行取值的。
• sizeof的计算结果是 size_t 类型的数据。

注：sizeof 运算符的返回值，C 语言只规定是无符号整数，并没有规定具体的类型，而是留给系统自己去决定， sizeof 到底返回什么类型。不同的系统中，返回值的类型有可能是unsigned int ，也有可能是 unsigned long ，甚⾄是 unsigned long long对应的 printf() 占位符分别是 %u 、 %lu 和 %llu 。这样不利于程序的可移植性。C 语⾔提供了⼀个解决⽅法，创造了⼀个类型别名 size_t ，用来统一表示 sizeof 的返回值类型。对应当前系统的 sizeof 的返回值类型，可能是 unsigned int ，也可能是unsigned long long。

        sizeof操作符的用法演示如下：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a = 10;
    printf("%zd\n", sizeof(a));
    printf("%zd\n", sizeof a);    //a是变量的名字，可以省略掉sizeof后边的()
    printf("%zd\n", sizeof(int));
    printf("%zd\n", sizeof(3 + 3.5));

    return 0;
}

 1.5.2  数据类型长度

        下面利用sizeof操作符输出各个数据类型的大小：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(char));
    printf("%zd\n", sizeof(_Bool));
    printf("%zd\n", sizeof(short));
    printf("%zd\n", sizeof(int));
    printf("%zd\n", sizeof(long));
    printf("%zd\n", sizeof(long long));
    printf("%zd\n", sizeof(float));
    printf("%zd\n", sizeof(double));
    printf("%zd\n", sizeof(long double));

    return 0;
}

        输出结果如下： （配置环境为VS2022 x64）

1 
1
2 
4
4 
8 
4 
8 
16

         下图为各种类型数据的大小对比图：

注：在算法竞赛中，为了防止数据的溢出，经常会使用long long类型。

二、signed 和 unsigned

        在C语言中使用 signed 和 unsigned 关键字修饰 字符型和整数 类型的。

        signed 关键字表示一个类型带有正负号，包含负值；

        unsigned 关键字则表示该类型不带有正负号，只可表示非负整数。

        对于 int 类型，是默认带有正负号的，即 int 等同于 signed int 。当然，我们也可以将整数类型的变量声明为 unsigned int ，这可以使得同样长度的内存所能表示的最大整数值增大一倍。例如，16位的 signed short int 的取值范围为： -32768~32767，最大值为32767；而unsigned short int 的取值范围为：0~65535，最大值增加到了65535。如下为头文件 limits.h 中的相关定义：

#define SHRT_MIN (-32768)         //有符号16位整型的最⼩值
#define SHRT_MAX 32767            //有符号16位整型的最⼤值
#define USHRT_MAX 0xffff          //⽆符号16位整型的最⼤值
#define INT_MIN (-2147483647 - 1) //有符号整型的最⼩值
#define INT_MAX 2147483647        //有符号整型的最⼤值

        同时，unsigned int 中的 int 也是可以省略的，所以无符号整数类型的数据也可以声明为：

unsigned a;

        对于字符类型数据 char 同样也可以设置 signed 和 unsigned 。

signed char c;   // 范围为 -128 到 127
unsigned char c; // 范围为 0 到 255

        需要注意的是，与 int 类型数据不同，char 类型默认是否带有正负号是由当前所使用的编译器决定的。在VS2022上，char 类型等同于 signed char 类型。

三、变量 

3.1  变量的创建

        通过以上介绍，大家已经大致了解了类型。类型的作用是什么呢？它们是用来创建变量的。那么什么又是变量呢？在C语言中把经常变化的值称为变量，而把不变的值称作常量。

         我们通过以下语法形式来创建变量：

data_type name;
    |       |
    |       |
 数据类型 变量名

int age;         //整型变量
char ch;         //字符变量
double weight;   //浮点型变量

         在变量创建时给予变量一个初始值，就叫做变量的初始化。

int age = 18;
char ch = 'w';
double weight = 48.0;
unsigned int height = 100;

3.2  变量的分类

• 全局变量：在大括号 {} 外定义的变量即为全局变量。全局变量可以在整个工程中使用。
• 局部变量：在大括号内部定义的变量即为局部变量。局部变量智能在所在的局部范围内使用。

#include <stdio.h>

int global = 2023;//全局变量
int main()
{
    int local = 2018;//局部变量
    printf("%d\n", local);
    printf("%d\n", global);

    return 0;
}

注意：当局部变量和全局变量同名时，优先使用局部变量。

那么，全局变量和局部变量在内存中是存储在哪里的呢？

        在进行C/C++的学习时，我们往往会关注内存中的三个区域：栈区、堆区、静态区。

1. 局部变量存放在内存的栈区；
2. 全局变量存放在内存的静态区；
3. 堆区是用于动态内存管理的。

对于内存划分的相关内容，会在后续博客中对于操作系统的相关知识时进行介绍。

四、 算数操作符：+、-、*、/、%

        + 和 - 用来完成加法和减法。+ 和 - 都是有2个操作数的，位于操作符两端的就是它们的操作数，这种操作符也叫双目操作符。

        运算符 * 用来完成乘法。         运算符 / 用来完成除法。除号的两端如果是整数，执行的是整数除法，得到的结果也是整数。如果希望得到浮点数的结果，两个运算数必须至少有⼀个浮点数，这时 C 语言就会进行浮点数除法。

        运算符 % 表示求模(余)运算，即返回两个整数相除的余值。这个运算符只能用于整数，不能用于浮点数。负数求模的规则是，结果的正负号由第⼀个运算数的正负号决定。

五、赋值操作符：= 和复合赋值

        在变量创建时给变量一个初始值，叫做初始化；而在变量创建好以后，再给一个值，就叫做赋值。赋值操作符是 = 。

5.1  连续赋值

        赋值操作符可以支持连续赋值，如：

int a = 3;
int b = 5;
int c = 0;
c = b = a+3;//连续赋值，从右向左依次赋值的。

5.2  复合赋值符

        在写代码时，我们可以利用更加方便的写法对一个数进行自增、自减操作，如下：

int a = 10;
a += 3;        //等效于a = a + 3
a -= 2;        //等效于a = a - 2

        C语言中为我们提供多种复合赋值符，方便我们编写代码。

+= -=
*= /= %=

>>= <<=
&= |= ^=

 六、单目操作符：++、--、+、-

        前文所介绍的操作符均为双目操作符，它们都有两个操作数。在C语言中，也有一些操作符只有一个操作数，它们被称为单目操作符。

6.1  ++ 和 --

        ++是自增，分为前置++和后置++，--是自减，也分为前置--和后置--。

6.1.1  前置++

int a = 10;
int b = ++a;    //++的操作数是a，是放在a的前⾯的，就是前置++
printf("a=%d b=%d\n",a , b);
//相当于：
int a = 10;
a = a+1;
b = a;
printf("a=%d b=%d\n",a , b);

 口诀：先+1，后使用。

 6.1.2  后置++

int a = 10;
int b = a++;//++的操作数是a，是放在a的后⾯的，就是后置++
printf("a=%d b=%d\n",a , b);
//相当于：
int a = 10;
int b = a;
a = a+1;
printf("a=%d b=%d\n",a , b);

口诀：先使用，后+1。 

 前置--和后置--同理，只是将+1换成-1。

七、强制类型转换

        在操作符中还有⼀种特殊的操作符是强制类型转换，语法形式很简单，形式如下：

（数据类型）

         先看如下代码：

int a = 3.14;
//a的是int类型, 3.14是double类型，两边的类型不⼀致，编译器会报警告

        为了消除这个警告，我们就可以使用强制类型转换：

int a = (int)3.14;//意思是将3.14强制类型转换为int类型，这种强制类型转换只取整数部分

八、scanf 和 printf介绍

8.1  printf

8.1.1  基本用法

        printf() 的作用是将参数文本输出到屏幕。它名字里面的 f 代表 format（格式化），即表示可以定制输出文本的格式。

        printf() 不会在行尾自动添加换行符，当运行结束后，光标就停留在输出结束的地方，并不会自动进行换行。故可以在输出文本的末尾加上换行符 \n ，使光标移到下一行的开头。

         printf() 是在标准库的头文件 stdio.h 定义的。使用这个函数之前，必须在源码文件头部引入这个头文件。

8.1.2  占位符

        printf() 函数可以在输出文本中指定占位符。所谓“占位符”，即在这个位置可以用其他值代入。

// 输出 There are 3 apples
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("There are %d apples\n", 3);
    return 0;
}

        在上述示例中，%d 即为占位符，表示这个位置要用其他值来替换。占位符的第一个字符统一为%，第二个字符则表示占位符的类型。%d表示这里代入的值必须是一个整数。 

        printf() 的第二个参数就是替换占位符的值，上⾯的例子是整数 3 替换 %d 。执行后的输出结果就是 There are 3 apples 。在输出文本里可以使用多个占位符。

        printf() 参数与占位符是⼀⼀对应关系，如果有 n 个占位符， printf() 的参数就应该有 n +1 个。如果参数个数少于对应的占位符， printf() 可能会输出内存中的任意值。

8.1.3  占位符列举

%a ：⼗六进制浮点数，字⺟输出为⼩写。
%A ：⼗六进制浮点数，字⺟输出为⼤写。
%c ：字符。//char 
%d ：⼗进制整数。// int 
%e ：使⽤科学计数法的浮点数，指数部分的 e 为⼩写。
%E ：使⽤科学计数法的浮点数，指数部分的 E 为⼤写。
%i ：整数，基本等同于 %d 。
%f ：⼩数（包含 float 类型和 double 类型）。//float %f    double - %lf 
%g ：6个有效数字的浮点数。整数部分⼀旦超过6位，就会⾃动转为科学计数法，指数部分的e为⼩写。
%G ：等同于 %g ，唯⼀的区别是指数部分的 E 为⼤写。
%hd ：⼗进制 short int 类型。 
%ho ：⼋进制 short int 类型。 
%hx ：⼗六进制 short int 类型。 
%hu ：unsigned short int 类型。 
%ld ：⼗进制 long int 类型。 
%lo ：⼋进制 long int 类型。
%lx ：⼗六进制 long int 类型。
%lu ：unsigned long int 类型。 
%lld ：⼗进制 long long int 类型。 
%llo ：⼋进制 long long int 类型。 
%llx ：⼗六进制 long long int 类型。 
%llu ：unsigned long long int 类型。 
%Le ：科学计数法表⽰的 long double 类型浮点数。 
%Lf ：long double 类型浮点数。 
%n ：已输出的字符串数量。该占位符本⾝不输出，只将值存储在指定变量之中。
%o ：⼋进制整数。
%p ：指针（⽤来打印地址）。
%s ：字符串。
%u ：⽆符号整数（unsigned int）。 
%x ：⼗六进制整数。
%zd ： size_t 类型。
%% ：输出⼀个百分号

 8.1.4  输出格式

        printf() 可以定制占位符的输出格式。

（1）  限定宽度

        printf() 函数允许限定占位符的最小宽度。

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%5d\n", 123);    //输出为"  123"

    return 0;
}

         %5d 表示这个占位符的宽度至少为5位。如果不满5位，对应的值的前面会添加空格。输出的值默认是右对齐，即输出内容前面会有空格；如果希望改成左对齐，在输出内容后面添加空格，可以在占位符的 % 的后面插入一个 - 号。如下所示代码，123 的后面添加了空格。

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%-5d\n", 123); // 输出为 "123  "

    return 0;
}

        对于小数，这个限定符则会限制所有数字的最小显示宽度。如下代码所示：

// 输出 " 123.450000"
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%12f\n", 123.45);

    return 0;
}

        在上面的代码示例中，%12f所表示的浮点数最少要占据12位。由于小数的默认精度是小数点后6位，所以123.45输出结果的头部会添加两个空格以凑够位数。

（2）  总是显示正负号

        默认情况下， printf() 不对正数显示 + 号，只对负数显示 - 号。如果想让正数也输出 + 号，可以在占位符的 % 后面加⼀个 + 。

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%+d\n", 12); // 输出 +12
    printf("%+d\n", -12); // 输出 -12

    return 0;
}

（3）  限定小数位数

        输出小数时，我们有时候希望限定小数的位数。举个例子来说，当我们希望小数点后只保留两位时，占位符可以写作 %.2f 。

// 输出 Number is 0.50
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("Number is %.2f\n", 0.5);

    return 0;
}

        我们也可以与限定宽度占位符结合使用。如下面示例中， %6.2f 表时输出字符串最小宽度为6，小数位数为2。所以，输出字符串的头部有两个空格。

// 输出为 " 0.50"
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%6.2f\n", 0.5);

    return 0;
}

        不仅如此，最小宽度和小数位数这两个限定值，还可以用 * 代替，通过 printf() 的参数传入。

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%*.*f\n", 6, 2, 0.5);

    return 0;
}
 // 等同于printf("%6.2f\n", 0.5);

 （4）  输出部分字符串

        %s 占位符用来输出字符串，默认是全部输出。如果只想输出开头的部分，可以用 %.[m]s 指定输出的长度，其中 [m] 代表⼀个数字，表示所要输出的长度。如下面示例中，占位符 %.5s 表示只输出字符串“hello world”的前5个字符，即“hello”。

// 输出 hello
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%.5s\n", "hello world");

    return 0;
}

 8.2  scanf

8.2.1  基本用法

        scanf() 函数用于读取用户的键盘输入。当我们写的程序运行到这个语句时便会停下来，等待我们从键盘输入。我们输入数据、按下回车键后，他就会处理我们的输入，并将其存入变量中。他的原型同样定义在头文件 stdio.h 中。scanf() 的语法跟printf() 类似。

scanf("%d", &i);

        它的第一个参数是一个格式字符串，里面可防止不同类型的占位符（与printf() 的占位符基本保持一致）。其余参数用于存放用户输入的变量，格式字符串中有多少个占位符就有多少个变量。

        需要注意的是，变量前面必须加上 & 运算符（除指针变量以外，关于指针变量的介绍将会在后续的博客中更新），因为scanf() 传递的并不是变量的值，而是变量的地址，即将变量 i 的地址指向用户输入的值。

        scanf()  处理数值占位符时，会自动过滤空白字符，包括空格、制表符、换行符等。所以，用户输入的数据之间，有⼀个或多个空格不影响 scanf()  解读数据。另外，用户使用回车键，将输入分成几行，也不影响解读。

        scanf() 处理用户输入的原理是，用户的输入先放入缓存，等到按下回车键后，按照占位符对缓存进行解读。解读用户输入时，会从上一次解读遗留的第⼀个字符开始，直到读完缓存，或者遇到第一个不符合条件的字符为止。

8.2.2  scanf 的返回值 

        scanf()  的返回值是⼀个整数，表示成功读取的变量个数。如果没有读取任何项，或者匹配失败，则返回 0 。如果在成功读取任何数据之前，发生了读取错误或者遇到读取到文件结尾，则返回常量 EOF (-1)。 （EOF - end of file ，即文件结束标志）

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a = 0;
    int b = 0;
    float f = 0.0f;
    int r = scanf("%d %d %f", &a, &b, &f);
    printf("a=%d b=%d f=%f\n", a, b, f);
    printf("r = %d\n", r);

    return 0;
}

        输入输出测试如下：

        如果输入2个数后，按 ctrl+z ，提前结束输入：

         在VS环境中按3次 ctrl+z ，才结束了输入，我们可以看到r是2，表示正确读取了2个数值。 如果⼀个数字都不输入，直接按3次 ctrl+z ,输出的r是-1，也就是EOF。

9.2.3  占位符

        scanf() 常⽤的占位符如下，与 printf() 的占位符基本⼀致：

• %c ：字符。
• %d ：整数。
• %f ： float 类型浮点数。
• %lf ： double 类型浮点数。
• %Lf ： long double 类型浮点数。
• %s ：字符串。
• %[] ：在方括号中指定⼀组匹配的字符（⽐如 %[0-9] ），遇到不在集合之中的字符，匹配将会停止。

        上面所有占位符之中，除了 %c 以外，都会自动忽略起首的空白字符。 %c 不忽略空白字符，总是返回当前第⼀个字符，无论该字符是否为空格。

如果要强制跳过字符前的空白字符，可以写成 scanf(" %c", &ch) ，即 %c 前加上⼀个空格，表示跳过零个或多个空白字符。

        下面要特别说⼀下占位符 %s ，它其实不能简单地等同于字符串。它的规则是，从当前第⼀个非空白字符开始读起，直到遇到空白字符（即空格、换⾏符、制表符等）为止。

        因为 %s 不会包含空白字符，所以无法用来读取多个单词，除非多个 %s ⼀起使用。这也意味着，scanf() 不适合读取可能包含空格的字符串，比如书名或歌曲名。另外， scanf() 遇到 %s 占位符时，会在字符串变量末尾存储⼀个空字符 \0 。

        scanf()  将字符串读入字符数组时，不会检测字符串是否超过了数组长度。所以，储存字符串时，很可能会超过数组的边界，导致预想不到的结果。为了防止这种情况，使⽤ %s 占位符时，应该指定读入字符串的最长长度，即写成 %[m]s ，其中的 [m] 是⼀个整数，表示读取字符串的最大长度，后面的字符将被丢弃。

#include <stdio.h>

int main()
{
    char name[11];
    scanf("%10s", name);

    return 0;
}

        在以上代码示例中， name 是⼀个长度为11的字符数组， scanf() 的占位符 %10s 表示最多读取用户输入的10个字符，后面的字符将被丢弃，这样就不会有数组溢出的风险了。

8.2.4  赋值忽略符

        为了避免用户输入格式与scanf() 解析数据的格式不匹配的问题，scanf() 提供了⼀个赋值忽略符（assignment suppression character）* ，只要把 * 加在任何占位符的百分号后面，该占位符就不会返回值，解析后将被丢弃。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int year = 0;
    int month = 0;
    int day = 0;
    scanf("%d%*c%d%*c%d", &year, &month, &day);

    return 0;
}

        在以上示例代码中，%*c 就是在占位符的百分号后面，加入了赋值忽略符 * ，表示责怪占位符没有对应的变量，在解读之后不必返回。 

以上就是本期博客的全部内容啦~还希望大家多多支持！有不对的地方也恳请指出~~~