第 3 章 处理数据

说明

看《C++ Primer Plus》时整理的学习笔记，部分内容完全摘抄自《C++ Primer Plus》（第6版）中文版，Stephen Prata 著，张海龙 袁国忠译，人民邮电出版社。只做学习记录用途。

• 说明
• 3.1 简单变量
  • 3.1.1 变量名
  • 3.1.2 整型
  • 3.1.3 符号整型
  • 3.1.4 无符号整型
  • 3.1.5 选择整型类型
  • 3.1.6 整型字面值
  • 3.1.7 C++ 如何确定常量的类型
  • 3.1.8 char 类型：字符和小整数
  • 3.1.9 bool 类型
• 3.2 const 限定符
• 3.3 浮点数
  • 3.3.1 书写浮点数
  • 3.3.2 浮点类型
  • 3.3.3 浮点常量
  • 3.3.4 浮点数的优缺点
• 3.4 C++ 算术运算符
  • 3.4.1 运算符优先级和结合性
  • 3.4.2 除法分支
  • 3.4.3 求模运算符
  • 3.4.4 类型转换
  • 3.4.5 C++11 中的 auto 声明

3.1 简单变量

内置的 C++ 类型分两组：基本类型和复合类型，本章主要介绍基本类型。

3.1.1 变量名

变量命名时，需遵循以下规则：

• 名称只能使用字母、数字或下划线。
• 名称第一个字符不能是数字。
• 区分大写字母与小写字母。
• 名称不能是 C++ 关键字。
• 以两个下划线或下划线和大写字母打头的名称被保留给实现（编译器及其使用的资源）使用。以一个下划线开头的名称被保留给实现，用作全局标识符。
• C++ 对名称没有长度限制，但有些平台有长度限制。

倒数第二点原因：使用像 _time_stop 或 _Donut 这样的名称不会导致编译错误，但会导致行为的不确定性，不知道结果将是什么。最后一点需注意：ANSI C (C99标准) 只保证名称中的前 63 个字符有意义（前 63 个字符相同的名称被认为是相同的，即使第 64 个字符不同）。目前比较流行的有 4 种命名习惯：

1. 小驼峰命名法：第一个单词首字母小写，后面单词首字母大写，如 myVariableName。
2. 大驼峰命名法：又称帕斯卡命名法（Pascal），所有单词的首字母都大写，如 MyVariableName。
3. 匈牙利命名法：变量名 = 属性 + 类型 + 对象描述，如 m_lpctstrStudentName 表示类中一个成员变量（属性m_），类型为指向字符串常量的长指针（类型lpctstr），所指字符串常量用来表示学生姓名（对象描述StudentName）。
4. 下划线命名法：用下划线分隔单词，如 my_variable_name。

3.1.2 整型

计算机语言只能表示所有整数的一个子集，存储时使用的内存量越大，可表示的整数值范围也越大。C++ 的基本整型按内存量宽度排序有 char、short、int、long和 C++11 新增的long long，其中每种类型都有符号版本和无符号版本，因此总共有 10 种类型可供选择（实际上short是short int的简称，long是long int的简称，long long是long long int的简称，但一般不使用长名称）。最好在声明变量时就对它的值进行初始化，即将声明语句与赋值语句合并在一起，以防出现未初始化就使用变量的情况，这时变量的值是不确定的。C++ 变量初始化有以下几种方式:

//传统C语言方式
int uncles = 5;

//C++支持的方式
int uncles(5);

//C++98支持的方式
int uncles = {5};

//C++11支持的方式
int uncles = {5};
int uncles{5};

//C++11将变量初始化为0
int uncles = {};
int uncles{};

3.1.3 符号整型

不是在所有的系统中，每种类型的宽度都相同，例如int不总是 32 位，在早期的 16 位操作系统中，int是 16 位，但在后来的 32 位操作系统以及 64 位操作系统中，int是 32 位。C++ 标准只确保了最小宽度：

• short至少 16 位。
• int至少和short一样宽。
• long至少 32 位，且至少和int一样宽。
• long long至少 64 位，且至少和long一样宽。

想知道某种整型的内存量大小，可以使用sizeof运算符返回类型或变量的内存量宽度，单位为字节（字节的含义也依赖于实现，在一个系统中一个字节可能是 8 位，而在另一个系统中可能是 16 位），对类型名（如int）使用sizeof运算符时，应将名称放在括号里面，但对变量名（如n_short）使用该运算符，括号是可选的。

//对类型名使用sizeof运算符（必要括号）
cout << "int is " << sizeof(int) << " bytes.\n";

//对变量名使用sizeof运算符（括号可选）
cout << "short is " << sizeof(n_short) << " bytes.\n";
cout << "short is " << sizeof n_short << " bytes.\n";

想知道某种整型所能表示的整数范围，一种方式是根据该整型的内存量宽度进行计算，例如：若short为 16 位，则其符号版本可表示的整数范围为 \([-2^{15}, 2^{15}-1]\) 即 \([-32768, 32767]\)，无符号版本可表示的整数范围为 \([0, 2^{16}-1]\) 即 \([0, 65535]\)，这样计算的原因可参考原码补码反码的相关资料。另一种方式是#include ，这个库文件里面包含了关于整型限制的信息，使用示例如下：

//获得int所能表示的最小整数值
cout << "Minimum int value = " << INT_MIN << endl;

//获得当前系统一个字节占多少位
cout << "Bits per byte = " << CHAR_BIT << endl;

climits文件中将上述限制信息定义为宏：

#define INT_MIN -2147483648

编译指令#define的工作方式与文本编辑器的全局搜索并替换的命令相似，它告诉预处理器：查找独立的标记INT_MIN并将其替换为-2147483648，但它会跳过嵌入的INT_MIN，不会将PINT_MINTM替换为-2147483648。C++ 有一种更好的创建符号常量的方法，就是使用const关键字，这将在后续章节学习。

3.1.4 无符号整型

前面介绍的 4 种符号整型都有对应的无符号版本，仅当数值不会为负时才使用无符号版本：unsigned short、unsigned int、unsigned long和 unsigned long long。整型变量的取值如果超过了取值限制，其值将成为另一端点的值。依然以 16 位short为例，其符号版本的最大值加 1 后，值会变成 -32768，最小值减 1 后，值会变成 32767，其无符号版本的最大值加 1 后，值会变成 0，最小值减 1 后，值会变成 65535，这种现象分别称为整型的上溢与下溢。

3.1.5 选择整型类型

int被设置为计算机处理起来效率最高的长度，若没有非常有说服力的理由选择其他类型，则应首选int。若变量取值不可能为负数，则应首选无符号版本。若变量取值可能超过 16 位整数的最大值，则应首选long类型，这样可确保程序移植到 16 位系统时不会出现问题。若变量取值超过 20 亿（\(2^{31}=2147483648\)），则可选择long long。若存在大型数组且节省内存很重要，可考虑使用short。

3.1.6 整型字面值

整型字面值是显式地书写的常量，C++ 能够以三种不同的计数方式来书写整数：基数为 10、基数为 8（老式UNIX版本）、基数为 16（硬件黑客的最爱）。C++ 使用前一（两）位来标识数字常量的基数。如果第一位为 1~9，则基数为10（十进制），例如 93。如果第一位为 0，第二位为 1~7，则基数为8（八进制），例如 042（等于十进制数 34）。如果前两位为 0x 或者 0X，则基数为16（十六进制），例如 0x42（等于十进制数 66）。

//十进制
int chest = 42;

//八进制
int waist = 042;

//十六进制
int inseam = 0x42;

3.1.7 C++ 如何确定常量的类型

数字常量后面可以添加后缀以指明类型：

对于不带后缀的十进制整数，使用下面几种类型中能够存储该数的最小类型做默认值：int 、long 、long long。

对于不带后缀的十六进制和八进制整数，使用下面几种类型中能够存储该数的最小类型做默认值：int 、unsigned int、long、unsigned long、long long、unsigned long long。

3.1.8 char 类型：字符和小整数

char 类型是专为存储字符（如字母和数字）而设计的，通常为 8 位，也用来表示比 short 更小的整型。常用的符号集有 ASCII字符集 、国际Unicode字符集，例如字符 A 的 ASCII 码是 65，字符 a 的 ASCII 码是 97。另外还有一种特殊的字符：转义字符，常用的转义字符有：

可以使用数字转义序列（只支持八进制、十六进制）或符号转义序列来表示转义字符，但数字转义序列与特定的编码方式（如ASCII）相关，而符号转义序列适用于任何编码方式，可读性也更强，比如\n 、\012 与\0xA 都表示换行符。C++ 标准还允许实现提供扩展源字符集和扩展执行字符集，这种机制独立于任何特定的键盘，使用的是通用字符名，通用字符名以 \u 或者 \U 打头，\u 后接 8 个十六进制位，\U 后则是 16 个十六进制位，这些位表示的是字符的 ISO 10646 码点。

将 char 用于表示整型时，其默认情况下既不是没有符号，也不是有符号，这由具体的 C++ 实现来决定。可以显式地对其进行设置：

//默认可能是无符号，也可能是有符号
char fodo;

//显式声明为无符号
unsigned char bar;

//显式声明为有符号
signed char snark;

宽字符类型 wchar_t 可以表示扩展字符集，它的内存量宽度由 C++ 实现来决定，可能是 16 位，也可能是 32 位，可能是有符号的，也可能是无符号的，其底层类型可能是 int 也可能是 unsigned short ，前缀 L 可以用来指明宽字符常量与宽字符串:

//右边为宽字符常量
wchar_t bob = L'P';

//输出宽字符串
std::wcout << L"tall" << endl;

C++11 新增了类型 char16_t 和 char32_t ，这两者都是无符号的，分别长 16 位、32 位，其底层类型也是一种内置整型，具体底层类型随系统而变化。前缀 u 用来指明 char16_t 字符常量和字符串常量，前缀 U 用来指明 char132_t 字符常量和字符串常量，可使用通用字符名来对它们进行初始化。

3.1.9 bool 类型

ANSI/ISO C++ 标准添加了一种名叫 bool 的新类型，它只有两种取值 true 或者 false，常用于判断语句，内存量宽度一般为 8 位。过去，C++ 和 C 一样，是没有布尔类型的。布尔类型支持隐式转换，任何数字值或指针值都可以转换为 bool 值，转换时任何非零值都被转为 true ，零值转换为 false ，布尔值也可以隐式提升为 int 类型，true被转换为 1，false被转换为 0。

//布尔值隐式提升为1
int ans = true;

//布尔值隐式提升为0
int ans = false;

//非零被转换为true
bool ans = -100;

//零值被转换为false
bool ans = 0;

3.2 const 限定符

创建常量的通用格式如下：

const type name = value;

应该在声明常量时就对其进行初始化，如果在声明常量时没有初始化，则该常量的值是不确定的，且无法修改。常量被初始化后，其值就被固定了，编译器将不允许再修改该常量的值。const 常量相比于 #define 常量的好处有三点：明确指定类型、作用域限制、可用于复杂类型。

C++ 的 const 与 ANSI C 的 const 有两点主要区别：C++ 版本有作用域限制、可在C++ 中用来声明数组长度。

3.3 浮点数

浮点类型是 C++ 的第二组基本类型，它能够表示带小数部分的数字。

3.3.1 书写浮点数

C++ 有两种方式书写浮点数，一种是常用的标准小数点表示法，另一种是 E 表示法。

//标准小数点表示法
12.34;

//E表示法(中间不能有空格)
2.52e+8;
2.52e8;
2.52E+8;
2.52E8;
2.52e-8;
2.52E-8;

3.3.2 浮点类型

和 ANSI C 一样，C++ 也有 3 种浮点类型：float、double和long double。C 和 C++ 对浮点数内存量宽度的要求是:

• float至少 32 位。
• double至少 48 位，且至少和float一样宽。
• long double至少和double一样宽。

通常，float为 32 位，double为 64 位，long double为 80、96 或128 位。可以通过 #include 获取各类型浮点数所能表示的数值范围，各浮点类型所能表示的精度（有效位数）一般为：float至少 6 位，double至少 15 位，long double至少 18 位。

3.3.3 浮点常量

浮点常量后面可以添加后缀以指明类型（部分老式编译器可能不支持浮点常量后缀）：

对于不带后缀的浮点常量，默认类型为 double。

3.3.4 浮点数的优缺点

与整数相比，浮点数有两大优点：可表示整数之间的值、可表示的数值范围更大。

与整数相比，浮点数也有两大缺点：运算更慢、精度将降低。

3.4 C++ 算术运算符

C++ 提供了 5 种运算符来完成基本算术计算：

• 加法运算符 + 执行加法运算，例如 \(4+20=24\)。
• 减法运算符 - 执行减法运算，例如 \(12-3=9\)。
• 乘法运算符 * 执行乘法运算，例如 \(12*4=112\)。
• 除法运算符 / 执行除法运算，例如 \(1000/5=200\)。
• 求模运算符 % 执行取余运算，两个操作数必须都为整数，它生成第一个整数除以第二个整数后的余数，计算结果满足等式 \(a\%b=a-(a/b)*b\)。

3.4.1 运算符优先级和结合性

当多个运算符可用于同一操作数时，C++ 使用优先级规则来决定首先使用哪个运算符，也可用括号来执行自己定义的优先级。乘法、除法和求模运算符的优先级相同，加法和减法运算符的优先级相同，但比其他三个要低。当两个运算符的优先级相同且作用于同一个操作数时，C++ 使用结合性规则来决定首先使用哪个运算符，上述 5 种运算符的结合性规则都是从左到右。

3.4.2 除法分支

除法运算符 / 的行为取决于操作数的类型。如果两个操作数都是整数，则 C++ 将执行整数除法，结果的小数部分将被丢弃，即向零取整。若其中有一个（或两个）操作数是浮点值，则结果的小数部分将保留，结果为浮点数。

3.4.3 求模运算符

求模运算符 % 返回整数除法的余数，尤其适用于解决要求将一个量分成不同的整数单元的问题，例如单位转换。

3.4.4 类型转换

整型和浮点型统称为算术类型，在以下情况下 C++ 将自动执行类型转换：

• 将一种算术类型的值赋给另一种算术类型的变量时。
• 表达式中包含不同算术类型时。
• 将参数传递给函数时。

自动类型转换时的规则如下：

1. 赋值以及普通初始化：将一种算术类型的值赋给另一种算术类型的变量时，值将被转换为接收变量的类型。有些转换是安全的，但转换时也可能出现以下问题：

   转换	潜在问题
   大浮点数转小浮点数（如double转float）	精度（有效位数）降低，超过取值范围的结果是不确定的
   浮点数转整型（如double转int）	小数部分丢失（向零取整），超过取值范围的结果是不确定的
   大整型转小整型（如long转short）	超过取值范围的结果会出问题，此时只复制右边的字节

2. 列表初始化：C++11 将使用大括号\(\{\}\)的初始化称为列表初始化，这种初始化方式对类型转换的要求更严格，它不允许缩窄转换，上面表格中浮点数转整型在这是不被允许的，当大浮点数转小浮点数、大整型转小整型时，若超过了目标类型的取值范围，也是不被允许的。

3. 表达式中的转换：编译器通过校验表以及整型级别来确定算术表达式中的类型转换。有符号整型按级别从高到低依次为long long、long、int、short和signed char，无符号整型的排列顺序与有符号整型相同，类型char、signed char和unsigned char的级别相同，类型bool的级别最低，wchar_t、char16_t和char32_t的级别与其底层类型相同。校验表的规则较复杂，这里只举一个简单的例子：两个short整型进行算术运算时将先做整型提升至int，然后再运算，最后再转回short。

4. 传递参数时的转换：传递参数时的类型转换通常由 C++ 原型控制，也可取消原型对参数传递的控制，这将在第 7 章介绍。

5. 强制类型转换：C++ 允许通过强制类型转换机制显式地进行类型转换。强制转换的格式有两种：

   //C语言风格
   (typeName) value;
   
   //纯粹的C++风格
   typeName (value);
   

   强制类型转换不会修改变量本身，而是创建一个新的、指定类型的值，可以在表达式中使用这个值。C++ 还引入了 4 个强制类型转换运算符，这将在第 15 章介绍，其中static_cast<>可用于将数值从一种数字类型转换为另一种数值类型：

   //使用运算符强制转换为typeName类型
   static_cast (value);
   

3.4.5 C++11 中的 auto 声明

C++ 重新定义了 C 语言中的 auto 关键字，在初始化声明中，如果使用关键字auto ，而不指定变量的类型，编译器将把变量的类型设置成与初始值相同（自动类型推断）：

//自动推断为int类型
auto n = 100;

//自动推断为double类型
auto x = 1.5;

//自动推断为long double类型
auto y = 1.3e12L;