换个角度带你学 C 语言的基本数据类型

作者：华为云开发者社区

2022 年 6 月 01 日
本文字数：3145 字
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本文分享自华为云社区《从深入理解底层的角度学习C语言之基本数据类型》，作者： breakDawn 。

C 语言的基本数据类型，大家从学生时代就开始学习了，但是又有多少人会试图从底层的角度去学习呢？这篇文章会用一问一答的形式，慢慢解析相关的内容和困惑。

数据类型位数和符号
数据类型转换
浮点数

数据类型位数和符号

Q: C 里的 signed 和 unsigned 类型的区别是什么？

A：拿 unsigned char 无符号 char 和 signed char 有符号 char 举例（因为他们都是 1 字节，比较好举例子）

假设某个局部变量 a，内存里存的都是 0xff(即二进制 11111111)

执行 printf("%d",a)时，输出的是 255，还是-1 呢？

如果 a 是无符号，那就是 255。

如果 a 是有符号，那就是-1。

Q:为什么有符号的 0xff 输出的是-1？

A:这个就是补码的概念。

正数的补码就是其本身

负数的补码是在其原码的基础上, 符号位不变, 其余各位取反, 最后+1. (即在反码的基础上+1)

补码的计算方式：如果是-1，则负号就是首位的“1”，而“-1”里的 1 作为二进制是 0000001，取反+1，得到 1111111，和首位 1 拼接，变成了 11111111.
进行 printf 打印时，C 语言通过变量类型，确认 11111111 的首位是符号位，于是通过补码的反向计算，得到实际真值为-1。
如果是无符号，则 C 语言通过变量类型，确认 11111111 的首位不是符号位，不需要反向计算，于是直接输出 255。

原码、反码、补码对于+1 和-1 的表示如下

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

Q: 已知正负数默认都是补码的形式，为什么不能用原码表示数字呢？即只用第一个标识符号位，后面 7 位就是代表真实绝对值

A:计算机 CPU 做计算时，无法区别符号位，只会死板的将 8 位数字进行加法计算。

假设做减法，就和下面那样

1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原 + [10000001]原 = [10000010]原 = -2

可以看到符号位的信息会误导减法的计算。

Q: 那为什么不用能反码呢

A:因为反码对于 0 的表示有两种情况，11111111 可以代表-0，而 00000000 代表+0，相当于浪费了。

而补码不存在这个情况。11111111 代表-1,00000000 代表 0。

Q: 为什么要有补码？补码有什么好处？

A:当计算机执行 1 - 1 时，希望都是用加法的动作来做，且不希望做 if-else 判断，根据符号位去判断正负再做加减，对计算机的消耗是很大的。

使用补码的机制，则可以将 1-1 转成变成 1+(-1)

那么-1 就是补码 0xff，和 0x01 相加，变成了 0，即不需要做真正的减法即可

Q: 刚才提到 CPU 希望都是位加法，不肯做减法，为什么？

A:因为 CPU 的减、乘、除都是基于加法、移位等操作实现的。

加法过程依赖 CPU 的 ALU 累加器，累加器背后的电路是数字电路异或门和与门的组合。

Q: 为什么补码表示的情况下，范围是-128 到 127？为什么补码会比原码和反码多一位？

A:就是上面提到的 0 的问题。原码的 10000000、00000000 都表示 0，补码的 11111111 和 00000000 都表示 0，而补码只有 1 个 0 的表示

同时补码有一个 100000000，把后 7 位取反+1，等同于-128。

原码、反码、补码知识详细讲解（此作者是我找到的讲的最细最明白的一个）

Q: 计算机在 CPU 做计算时，怎么识别是无符号还是有符号？

A:CPU 所处理的寄存器、内存中的数本身无符号信息。CPU 做加减法时会一起做无符号数的进位/有符号数的溢出标志，并不专门对待有符号数和无符号数。

有无符号的区别是只属于（中）高级语言的概念，反映到机器语言上，是跟运算及与其结果相关的指令上的区别，而不会反映到 CPU 所处理的数本身。

即 CPU 处理时，统一用加法处理，但是否要做求补等操作，取决于提供的运算指令。

Q: C 语言的 char 是 signed char 还是 unsigned char？

当你定义为 char 时，可能是 signed char，也可能是 unsigned char。
这个取决于你编译器的实现。
-funsigned-char : 设置为 unsigned char
-fno-signed-char : 设置为非 signed char
-fsigned-char : 设置为 signed char
-fno-unsigned-char : 设置为非 unsigned char

Q: int 有可能像 char 一样，即可能是 signed int 也可能是 unsigned int 吗？

A:int 一定是有符号 int。不会因为编译器不同而不同。

Q: 为什么 char 可以区分有符号或者无符号，但是 int 只能默认为 signed int ?

A:个人理解和应用场景有关，char 不一定会参与计算，而 int 大部分情况下都是有符号计算，因此默认为 signed int 比较好。

Q: ILP32、LP64、LLP64 分别是什么？

A:指的是这个操作系统中，有哪些类型分别是多少位的意思。

I 指 int

L 指 long

LL 指 long long

P 指 point 指针

32 和 64 就是分别指 32 位和 64 位。

32 位系统一定是 ILP32 模型
64 位系统中，unix 一般是 LP64，而 windows 则是 LLP64
即 linux 中，long 是 64 位，而在 windows 中，long 是 32 位，而只有 long long 是 64 位

Q: 为什么 windos 要用 LLP64 这么奇怪的模型？这个模型里， long 是 32 位，long long 才是 64 位。

A:来自知乎陈硕大佬的回答：

我猜，是因为 Windows API 从 16-bit 升级到 32-bit 发生得太晚了——大约是随 1995 年发布的 Windows 95 而普及。

虽然之前有 Windows NT 3.x 和 Win32s，但似乎比较小众。

而 Unix 从 16-bit 升级到 32-bit 发生在 1980 年前后，当时运行在 VAX 上的 Unix/32V 和 3BSD 都是 32-bit 的。

造成的结果是，两边的程序对 short/int/long 的长度形成了不同的习惯认知：

Unix 程序习惯了 int 是 32-bit，而 long 不一定只有 32-bit。Windows/DOS 习惯了 long 是 32-bit，而 int 有可能是 16-bit 或 32-bit，因为刚刚从 16-bit 升级上来嘛。

当往 64-bit 升级的时候，如果把 Windows 的 long 升级到 64-bit，会破坏原来很多程序的假设，

只好用个新的类型来表示 64-bit 整数了。反正 LONGLONG 在 32-bit 程序中也是 64-bit 整数，干脆用它好了。

详细的数据类型展示：

PS: 从上面可以看到 java 虚拟机的一个优势，就是对开发者而言，屏蔽了各不同系统情况下的数据位数。

Q: 那么又有个问题，java 虚拟机如何实现不同平台可以跑相同的 java 代码，不用担心底层数据类型的？

A:如图所示，class 字节码都是同一份，但是不同的系统，会有不同的虚拟机解释器实现，在解释器实现里处理了不同的数据类型位数情况。

数据类型转换

Q: C 里的隐式类型转换有什么规律？

占用字节数少的类型，向占用字节数多的类型转换；
int->long
占用字节数相同情况下，有符号向无符号转换；
int->unsigned int
整数类型向浮点类型转换；
int -> double
单精度向双精度转换；
float->double

Q: 下面这个例子输出多少，为什么？


void Test()
{
int a = -1;
unsigned b = 10;
if (a > b)
{
printf("a is greater than b.\n");
}
else
{
printf("a is less than or equal b.\n");
}
}复制

复制代码

输出 a>b 即 a is greater than

因为 a=-1，存储的二进制是 11111111，强转成 unsigned 时，二进制没有变，但是对编译器而言表示的大小变成了 255 了。

浮点数

float、double、long double 的比特数、有效位数、数值范围如下：

Q: 下面这个代码输出什么？


#include <stdio.h>
int main(void)
{
float a = 9.87654321;
float b = 9.87654322;
if(a > b)
{
printf("a > b\n");
}
else if(a == b)
{
printf("a == b\n");
}
else
{
printf("a < b\n");
}
return 0;
}复制