C语言深入探究sizeof与整型数据存储及数据类型取值范围
作者：龙兆万
1.关键字sizeof
sizeof 与 strlen 是我们日常打代码时经常使用到的两个“工具”。前者是求变量或者类型的大小(单位为字节)，后者是求某一字符串的长度。我们很容易产生这样一个误解，即把 sizeof 和 strlen 归为函数一类。事实上 sizeof 并不是一个函数，它是一个操作符、关键字。我们通过一段代码证明它不是函数：
#include <stdio.h>
int main()
{
int n = 20;
printf("%d\n", sizeof(n));
printf("%d\n", sizeof(int));
printf("%d\n", sizeof n);
return 0;
}我们注意到红线部分的 sizeof 后面的变量名没有加括号也能正常运行：
这就证明了 sizeof 它不是一个函数，而是一个操作符、关键字。
在这里顺便复习一下关于数组的知识，即数组名的两个特例(除了这两种情况其他任何时候数组名都表示数组首元素地址)：
- sizeof 内单独放数组名，其数组名表整个数组。
- & 数组名，表取整个数组的地址。
由此也可以看出 sizeof 与函数的区别。
2.整型数据存储深入
变量的作用是在内存中开辟一块空间，而类型则决定了这块空间有多大。
我们可以与 sizeof 结合起来验证这个问题：
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(char));
printf("%d\n", sizeof(short));
printf("%d\n", sizeof(int));
printf("%d\n", sizeof(long));
printf("%d\n", sizeof(long long));
return 0;
}
我们知道，计算机只能识别二进制，恰恰计算机系统又能把我们人类熟练使用的十进制转换成二进制，并且产生相应的原码、反码、补码。设计计算机的人设计出这样一套规则是非常巧妙的。
我们引出原码、反码、补码如何计算以及他们之间如何转换：
- 原码：将数字直接翻译成二进制得到的序列。
- 反码：在原码的基础上符号位(二进制序列的最高位，1表负数，0表负数)不变，替他位按位取反得到的序列。
- 补码：在反码的基础上加1。
- 补码计算回原码方法一：补码减1，然后符号位不变，其他位按位取反得到原码。
- 补码计算回原码方法二：补码符号位不变，其他位按位取反，然后加1。此方法与原码计算补码的方式是一样的，这样做的意义在于 CPU 进行数据处理时，只要设计一套计算方法就可以完成原码、反码、补码之间的相互转换。
那么具体的例子，在数据的存储——整形篇有讲到，这里就不赘述。
我们需要明白的是：数据存储到变量当中，不会受到类型的影响。什么意思呢？我们举个例子：
#include <stdio.h>
int main()
{
unsigned int p = -10;
return 0;
}大家可以看到，我把一个负数存入到无符号的整型变量 p 中，这有些违反我们的直觉，无符号类型不是不存在负数的概念吗？事实上，不是程序出错，而是我们的直觉有问题。
我们在一开头便阐述了变量的作用在内存中开辟一块空间，而类型便是决定开辟多大的空间。就好比说，我们有 100 ，放在了我的荷包里，那我们能说我有 100 块吗？就算是钱，我们定义它是美元、港币、日元了吗？所以，我们可以把变量看成 100 ，类型看成是美元、港币、日元等等。
到这里，我们就可以清楚，数据的存储与变量的类型是没有关系的，变量的作用仅仅是开辟一块空间让我们的数据存储进去。聊到这里，不妨让我们再回顾一下，整型数据是如何存放在变量(内存)里面的。我们就以上面那段代码为例：
这里再提一嘴：虽然内存中存放的是二进制序列，但为了我们方便，内存还是会以十六进制的表现形式表现出来。
我们试探性往内存里面看 p 变量里面存的是什么东西：
可以发现，内存里面的各种数据都对上了我们分析的结果，但是看起来有点“怪”。我们就来分析“怪”在哪里：
我们知道 int 类型是有 4 个字节的，那么数据占了 4 个字节没有问题。那么如果是以 1 列的形式查看地址，可以看到从上到下的地址是递增的。
现在我们以 4 列的形式查看地址，可以看到从左往右地址递增，从上往下地址递增。
得出一个现象：f6 存在了我们的低地址处。
我们似乎可以这样做推导：
这样的存储模式我们叫做小端存储。为什么这样的模式叫做小端存储？我们使用这个案例来类比：
所以我们得出结论，小端与大端的存储模式可以定义为：
- 权重小的数位放入内存中的低地址处，权重大的放入内存中的高地址处，这样的存储模式叫小端存储。
- 权重小的数位放入内存中的高地址处，权重小的放入内存中的低地址处，这样的存储模式叫大端存储。
为什么会有这种看似复杂的存储模式？我们可以举一个例子：我们大家都吃过鸡蛋，有些人剥壳喜欢往小的那一头剥，有的人喜欢往大的那一头剥，也就是“剥鸡蛋”这个动作，没有统一的行为概念。硬件制作厂商也不例外，有的厂商想让数据的存储行为是小端，也有的厂商想让数据以大端的模式进行存储，只不过我们平时所接触的硬件，都是以小端模式存储字节序的。
我们讨论了数据的存储，现在我们来讨论一下数据的“取出”规则。
好比说我们举这个例子：
#include <stdio.h>
int main()
{
unsigned int p = -10;
printf("%u\n", p);
printf("%d\n", p);
return 0;
}我们可以看到，对于 -10 存储在内存当中，我们第一次使用 %u 的形式将它从内存里拿出来，第二次使用 %d 的形式将它从内存中拿出来。
我们可以看到，对于不同类型的使用方式就会造成不同的结果。我们似乎可以这样断定：数据类型不会影响数据的存储，但一定会影响数据的取出(使用)。我们来分析一下为什么使用不同的类型打印能造成不同的结果：
所以我们再总结一次：变量的数据类型不会对数据的存储产生影响(截断也不能算成是一种影响)，但数据类型一定会影响数据的取出、使用。
3.数据类型取值范围深入
什么叫数据类型的取值范围？好比说我们有这样一个例子：
那么我们取 C 语言中大小最小的数据类型 char 来讨论数据类型的取值范围。
我们知道，char 类型只有 1 个字节，它有 8 个比特位。无符号类型的 char 我们就不做讨论，我们重点讨论无符号类型的 char 。那么 8 个比特位，能有多少种排列组合？能从什么值取到什么值？
那么通过演绎推理，得出来排列组合得个数，有什么意义呢？可以确定八个比特位能存放多少个数字。例如两个比特位能存放 4 个数字，三个比特位能存放 8 个数字，八个比特位能存放 256 个数字。
现在我们的重点在于：char 类型的八个比特位，能存哪 256 个数字？
可以看到这个结果，取值范围似乎是 [-127,127] ，但是这个区间里面只有 255 个数，那我们理论推导出来的结果是 256 个数，是我们推导错了吗？其实不然，我们应该注意 1000 0000 后面的那个问号：如果这串二进制序列真表示 0 了，那么就有两个 0 了，但是在计算机在考虑取值范围的时候，是不会浪费任何一个比特位来存放相同的数字的。
那么既然冲突了，就要在两个边界任意一端扩充。那么是 128 还是 -128 呢？只能是 -128 。在这里，我们就已经踏入计算机的知识边界了，为什么只能是 -128 它是个数学问题，就好比为什么会设计出原码、反码、补码一样，我们是无法理解设计计算机的人为什么会这样设计的。所以在这里只需记住，char 类型的取值范围是 [-2^7,2^7-1] 。那么我们类比出来 short 类型的取值范围是 [-2^15,2^15-1] , int 类型的取值范围是 [-2^31,2^31-1] ……
我们来看一个非常经典的例题：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
char arr[1000];
for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
arr[i] = -1 - i;
}
printf("%d\n", strlen(arr));
return 0;
}那么这道题要我们输出 arr 数组的长度是什么意思呢？我们再好好想想 strlen 。strlen 是求字符串长度，我们模拟实现过 strlen 的工作机制，知道遇到 '\0' 时就停止，返回 '\0' 之前的字符长度。那么 '\0' 就是数学意义上的 0 。其 '\' 是转义字符，如果仅仅写 '0' 的话，那么这个 '0' 并非数学意义上的 0 ，而是一个字符 0 。
好的，那我们知道这段代码会循环 1000 次对数组赋值。实际上我们的输出的要求是：输出 '\0' 出现之前的字符长度。我们可以这么运算：
我们通过计算，可以计算出当数组下标为 255 时，元素存储的是 0 ，即代表存储的是 '\0' ，那么 strlen 碰到 '\0' 时就会停止。那么数组下标为 255 ，那数组下标 0~255 有 256 个元素，舍弃一个 '\0' ，即剩下 255 个有效字符。所以最后输出 255 。
到此这篇关于C语言深入探究sizeof与整型数据存储及数据类型取值范围的文章就介绍到这了,更多相关C语言sizeof内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！