208 C 语言中数据类型及类型转换

C 语言中数据类型及类型转换

• 操作数本身没有数据类型，数据类型取决于指令

C 语言的整型变量及取值范围

NOTE

无论是有符号数还是无符号数，C 语言并不检测数据在加、减、乘等运算中产生的溢出现象。 溢出由程序员编写的应用程序进行判断和检查。

• 基本整数类型：
  • char：字符类型，通常占用 1 字节。其有无符号性由编译器决定，可显式声明为 signed char 或 unsigned char。
  • short [int]：短整型，通常占用 2 字节。
  • int：整型，通常占用 4 字节，是 C 语言中最常用的整数类型。
  • long [int]：长整型，通常占用 4 字节或 8 字节（在 64 位系统上通常为 8 字节）。
  • `long long [int] 整型，C99 标准引入，至少占用 8 字节。
• 有符号与无符号：
  • 除了 char 类型外，其他整型默认均为有符号类型（signed）。例如 int 等同于 signed int。
  • 通过 unsigned 关键字可声明为无符号类型，例如 unsigned int。无符号数只能表示非负值，其所有位都用于表示数值。
  • 有符号数通常采用补码形式表示。最高位为符号位（0 表示正数，1 表示负数）。
• 各类型典型大小 (字节) 及取值范围 (具体取决于系统和编译器)：

类型	典型大小 (字节)	范围 (示例)
char	1	[-128, 127] 或 [0, 255]
short	2	[-32768, 32767]
int	4	[-2147483648, 2147483647]
long	4 或 8	[-2147483648, 2147483647] 或 [-9E18, 9E18] (约)
long long	8	[-9E18, 9E18] (约)
unsigned char	1	[0, 255]
unsigned int	4	[0, 4294967295]

• 特殊整数类型：
  • size_t：sizeof 运算符的结果类型，为无符号整型，用于表示内存大小或数组索引。
  • ptrdiff_t：两个指针相减的结果类型，为有符号整型。

不同字长整数之间的转换

• 相同字长之间的转换：
  • 保持机器码不变
  • 示例： char c = -127; unsigned char uc = (unsigned char) c;。转换后机器码不变，符号位被当作数值位。uc = 129
• 小字长向大字长转换 (整型提升/拓宽转换)：
  • 当较小的整型（如 char 或 short）用于表达式时，它们通常会被自动转换为 int 或 unsigned int（通常为 int，除非原类型的值无法用 int 表示）。这有助于提高 CPU 运算效率。
  • 有符号数： 进行符号位扩展 (Sign Extension)。新分配的高位字节会填充原数值的符号位（如果原符号位是 0，则填充 0；如果原符号位是 1，则填充 1）。
  • 无符号数： 进行零扩展 (Zero Extension)。新分配的高位字节会全部填充 0。
• 大字长向小字长转换 (截断转换)：
  • 当一个大字长的整数赋值给一个小字长的整数类型时，会发生截断。
  • 转换结果： 高位字节会被直接丢弃，只保留低位字节。
  • 潜在问题：
    • 数据丢失/溢出： 如果原数值超出了目标类型所能表示的范围，则会发生数据丢失，导致值改变或溢出。
    • 符号改变： 对于有符号数，截断后最高位可能变为 1，导致正数变为负数，或负数变为一个完全不同的值。
  • 示例： int i = 257; char c = (char)i;。由于 257 的二进制表示是 ...00000001 00000001 (假设 int 4 字节)，截断为 char (1 字节) 后，只保留低 8 位 00000001，因此 c 的值为 1。

有符号数和无符号数转换

• 隐式转换规则：
  • 当有符号数与无符号数在表达式中混合运算时，C 语言会执行整型提升，然后将有符号数隐式转换为无符号数。
  • 转换的前提是无符号数的类型不小于有符号数的类型。如果无符号数类型较小，则会先进行整型提升，再进行有符号 - 无符号转换。
  • 转换结果： 转换过程中，数的位模式保持不变，但其解释方式会发生改变。
• 转换影响：
  • 正数转换为无符号数： 值保持不变。
  • 负数转换为无符号数： 负数的补码表示会被解释为一个大的正数。例如，-1 (int) 转换为 unsigned int 会得到该类型所能表示的最大值 (所有位均为 1)。这可能导致非预期的逻辑错误或比较结果。
• 显式转换 (强制类型转换)：
  • 可以通过 (unsigned type) expression 的形式进行显式强制类型转换，其行为与隐式转换相同，但代码意图更明确。

int、float、double 之间的转换

• 上述 3 种类型的机器码并不相同（int 位 32 位有符号整数，用补码表示；float 和 double 分别是 32 位和 64 位浮点数，阶码用移码，尾数用原码表示）
• 上述 3 种类型的表示范围和精度也不相同
• 因此转换过程编译器只能保证数值尽量相等，大多数情况下只是近似值

转换类型	转换类别	特点/注意事项
float → double	拓宽转换 (Widening)	- float 的有效位 (24 位) 可被 double (53 位) 完全保留，尾数部分通过在低位补零来填充。 - 不会发生精度丢失，float 能表示的任何值，double 都能精确表示。
double → float	窄化转换 (Narrowing)	- 存在精度丢失风险：double 尾数截断或舍入（通常四舍五入到偶数）。 - 存在溢出风险：如果 double 值超出 float 范围，结果可能为 +/- Infinity。 - 存在下溢风险：如果 double 值太小且超出 float 最小正数，结果可能为 +/- 0.0。
double/float → int	窄化转换 (Narrowing)	- 截断小数部分：总是向零取整（例如 3.7 → 3, -3.7 → -3）。 - 溢出风险：如果浮点数绝对值超出 int 范围，结果未定义（通常为 int 最大/最小值）。 - NaN 或 Infinity：转换为 int 也是未定义行为（通常为 int 最大/最小值）。
int → float	拓宽转换 (Widening)	- int 的所有值都在 float 表示范围内。 - 可能发生精度丢失：当 int 绝对值 大于 $2^{24}$ (16777216) 时，int 值可能无法被 float 精确表示，会发生舍入。
int → double	拓宽转换 (Widening)	- int 的所有值都在 double 表示范围内。 - 不会发生精度丢失：double 的尾数有效位 (53 位) 远大于 int 的位数 (32 位)，所有 int 值都可以被 double 精确表示。