C语言第 2 天学习笔记：从数据类型到内存存储的底层之旅

C语言第02天学习笔记

内容提要

• 变量
• 基本数据类型
• 常量
• 标识符
• 各类数据在内存中的存储形式

数据类型

C语言的数据类型可分为基本类型、构造类型、指针类型和空类型。

基本类型（C语言内置）

整型

• 短整型：short（2字节）
• 基本整型：int（4字节）
• 长整型：long（32位系统4字节/64位系统8字节）
• 长长整型：long long（8字节，C99新增）

浮点型

• 单精度型：float（4字节）
• 双精度型：double（8字节）
• 长双精度型：long double（如GCC通常是16字节，MSVC可能是8字节），取决于编译器。

字符型

char（1字节），C语言中1字节 = 1字符，因为C语言没有字节对应的类型，所以一般用char表示字节。

构造类型（C语言提供了构建语法，由程序员自己创建类型）

• 结构体：struct
• 共用体/联合体：union
• 枚举：enum

指针类型

空类型

void

常量

定义

程序运行过程中值不变的量。

存储位置

常量存储在数据段（字符串常量）或代码段，具体由编译器来决定。变量默认存储在栈内存，但静态变量和全局变量存储在数据段。（后续深入）

常量的分类

• 整型常量：十进制整型常量、八进制整型常量、十六进制整型常量
• 浮点型常量：十进制表示法、指数表示法
• 字符型常量
• 字符串常量
• 符号常量：宏定义

变量

概念

• 定义：在程序运行过程中值可变的量，称之为变量。
• 变量代表内存中（栈内存）具有特定属性的一个存储单元，它是用来存储数据的，也就是存放变量的值。
• 变量应该有一个名字，以便于通过名字访问变量。
  

格式

数据类型 变量名列表;

举例（demo01.c）

#include <stdio.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    // 1. 声明变量并初始化
    // 解释:向内存申请一块存储空间,并给这个空间添加一个初始数据
    // 命名:变量名就是标识符的一种,命名规则:以字母或者下划线开头,只能包含数字、字母、下划线,举例:set_user
    // 演示变量名的命名:_int,num2
    int age = 21; // 注意:= 不是关系运算符等于,这里称作赋值运算符,意思是将右边的常量21赋值给左边的变量。顺序:由右到左
    
    // 2. 先声明,再赋值
    int count;
    count = 10;
    
    // 3. 初始化和赋值并行
    int number = 12;
    printf("%d\n", number); // 12 %d:以十进制int的方式格式化输出
    number = 22; // 此时会覆盖掉number原本的值
    printf("%d\n", number); // 22
    
    // 4. 我们可以为多个变量定义同一类型,多个变量之间使用逗号分隔
    int a, b = 10, c; // 此时我们定义了3个变量,只有b初始化了,其他两个变量未初始化
    
    // 访问未初始化的变量?
    // 访问一个未初始化的变量不会报错,但是不建议访问,因为此时变量空间中的数据是系统分配的随机值。
    printf("%d,%d,%d\n",a,b,c);
    
    return 0;
}

基本类型：（整型、浮点型、字符型）我们创建变量的同时，在内存中开辟对应的内存空间。

命名规范

• 以字母或者下划线开头，后面跟字母、数字、下划线。举例：_int, __int, number, num1
• 不能与关键字（如：if、int、float等）或者预定义标识符（如：printf、main等）重名。

变量名、变量值、变量所占存储单元之间的关系

变量名是变量首地址对应的内存空间（存储单元）的标识，变量值存储在该内存空间中。

标识符

定义

用来表示对象名字的有效字符。对象变量、常量、函数、数组、构造类型等。也就是标识符是这些对象的名字。

构成

C语言规定的标识符只能由字母、数字、下划线三种字符构成，且只能以下划线或者字母开头。如：_int, num。

大小写敏感性

编译系统对字母的大小写敏感（区分大小写）。变量名和函数名一般用小写字母+下划线，常量名和枚举名一般用大写字母+下划线，举例：

• 变量：set_count（setCount在C语言也支持，但是不推荐）
• 函数：set_count()（setCount()在C语言也支持）
• 常量、枚举：SET_COUNT

C语言中的3类标识符

1. 关键字：有32个，系统有特定的含义和用途，不能用作自定义标识符：
   auto、break、case、char、const、continue、default、do、double、else、enum、extern、float、for、goto、if、int、long、register、return、short、signed、sizeof、static、struct、switch、typedef、union、unsigned、void、volatile、while
2. 系统预定义的标识符：如系统提供的函数名（如printf、scanf等）以及预处理指令（如include、define等）。C语言中有12个预处理指令：define、endif、elif、error、line、include、ifdef、ifnodef、pargma、undef、if、else。注意：以上预处理指令使用的时候，在前面需添加#，如#include。
3. 用户标识符：用户定义的标识符，用来给变量、自定义函数、符号常量、数组、构造类型、文件等命名。

小贴士

在C语言中，要求对所用到的变量，在使用前必须强制定义，先定义，后使用。

基本类型变量的定义与使用

基本类型（整型、浮点型、字符型）我们创建变量的同时，在内存中开辟对应的内存空间。

同类型变量的定义方式

1. 一个类型说明语句定义多个变量
   • 优点：简洁
   • 缺点：可读性较差

   int a, b, c, d; // 定义多个同类型变量
   int a1 = 3, b1 = 4, c1 = 5, d1 = 6;
   

2. 多个类型说明语句定义多个同类型变量
   • 优点：可读性强
   • 缺点：繁琐

   int aa;
   int bb;
   int cc;
   int dd;
   int aa1 = 3;
   int bb1 = 4;
   int cc1 = 5;
   int dd1 = 6;
   

未初始化变量的使用

同类型说明语句定义的变量只是为这些变量分配了内存空间，在未对这些变量赋值前，这些变量中的值是随机的（具体的随机由内存状态来决定）。在C标准中访问未初始化的变量是“未定义行为(UB)”。

案例

#include <stdio.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    int a, b, c, d;
    printf("%d,%d,%d,%d\n",a,b,c,d);// 此时的变量访问,属于未定义行为(UB),不建议这样做
    return 0;
}
// 第一次运行结果:-1543118880,32767,0,0
// 第二次运行结果:243305312,32766,0,0

变量的初始化

• C语言允许定义变量的同时为变量赋初始值。
• 在为长整型变量初始化或者赋值时，如果被赋值的数据为基本整型常量，则C编译系统自动将被赋值数据转换为与之相应变量类型一致的数据。

long a = 12L; // 将一个long类型的常量数据12赋值给long类型的变量a，=左右两边类型一致
long b = 12; // 将一个int类型的常量数据12赋值给long类型的变量b，此时=左右两边类型不一致

• 由于各种整型变量所占的字节数有限，因此，它们存储的整数有一定的范围。

整型数据

定义

用来存放整型数据的变量，定义一个整型的变量，C编译系统实际是在内存中分配了能够存储一个整型数据的存储空间，并用变量名来标识这个空间，对该空间的使用可以通过变量名来访问。

查看变量存储空间大小

如果不知道所用的C编译系统对变量分配的存储空间的大小，可以通过sizeof运算符查询，如：

int a = 10;
printf("%d,%d\n",sizeof(int), sizeof(a)); // 4,4 sizeof返回的大小是以字节为单位，返回类型long unsigned int

整型数据在内存中的存储形式

数据在内存中是以二进制形式存放，整型数据在内存中是以补码的形式表示的。使用补码主要是为了统一加减法运算，使CPU可以使用同一套加法电路处理所有整数运算（包括正数和负数），同时消除了+0和-0的歧义，简化硬件设计。

• 正数的补码和原码（该数的二进制形式）相同，三码（原码、反码、补码）唯一。
• 负数的补码是将该数绝对值的二进制形式，针对数据位按位取反+1（反码+1为补码）。

示例

内存数据的读写

① 向内存存数据（二进制形式）：程序原始数据 → 二进制原码 → 二进制反码 → 二进制补码
② 从内存取数据（二进制形式）：二进制补码 → 二进制反码 → 二进制原码 → 程序原始数据

案例

整型变量的分类使用

#include <stdio.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
    // 定义有符号整型变量,可以存放正数、0、负数,默认就是有符号数
    int a,b,c,d; // 等价于 signed int a,b,c,d;
    
    // 定义无符号整型变量,可以存放正数、0,不能存放负数,必须添加关键字unsigned
    unsigned int u;
    
    // 赋值
    a = 12;
    b = -24;
    u = 10;
    c = a + u, d = b + u;
    printf("a+u=%d,b+u=%d\n",c,d); // a+u=22,b+u=-14
    
    // 注意:计算机硬件支持加法运算,不支持减法运算,程序中的减法运算,实际上是有负数参与的加法运算,比如5-2实际上5+(-2)
    
    return 0;
}

有符号和无符号数在内存中的存储形式（以char类型举例）

• 有符号char的范围：-128 ~ 127
• 无符号char的范围：0 ~ 255

浮点型数据

定义

用来表达实数（小数）的数据类型。

浮点型变量的分类

• 单精度浮点型（float）：在64位系统中尺寸是4字节，精确到小数位6位，格式化符号%f
• 双精度浮点型（double）：在64位系统中尺寸是8字节，精确到小数位15~16位，格式化符号%lf
• 长双精度浮点型（long double）：在Linux下64位尺寸是16字节。

示例

float f1 = 12.25f; // 单精度
double f2 = 12.5; // 双精度
long double f3; // 长双精度

浮点型数据在内存中的存储形式

浮点型数据在内存中按照指数形式（IEEE 754标准）存放。系统将一个浮点型数分成尾数部分和指数部分，分别存放。

float内存示意图：

案例：27.5f在内存中的存放形式

• 27.5f的二进制为11011.1
• 转换为指数形式：11011.1→1.10111*2⁴
• 指数：4 + 127 = 131，转换为二进制：10000011
• 尾数：10111，需要补够23位，右侧补0：10111000000000000000000
• 最终表示：符号位（1位）、指数位（8位）、尾数位（23位）组成的二进制数。

浮点型数据转二进制方法

1. 整数部分：采用辗转除2直到商为0为止。
2. 小数部分：采用辗转乘2直到整数位出现1，小数位出现0为止，但是有时候会出现乘不尽的情况，此时需根据内存大小来决定保留位数。

科学计数法（指数法）

C语言中一般浮点数有两种表示形式：

• 十进制形式：指的是数字必须以整数形式+小数形式组成，比如10.0、3.14等。
• 指数形式（科学记数法）：以字母e或者E来表示指数，并且要求字母e或者E的前面必须有数字，字母e或者E的后面必须为整数。如-3.14E-2、2E-3、0.3E4。

错误示例

• E3：错误，因为E的前面没有数据
• 3.1e5.6：错误，因为E的后面必须是整数

字符型数据

概念

字符型变量用来存放字符常量。

定义

char 变量列表;

示例（demo04.c）

#include <stdio.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    char c1,c2;
    
    c1 = 'A';
    c2 = 'B';
    
    printf("c1=%c\n",c1);//  %c是字符的格式化符号
    printf("c1=%c\n",c2);
    printf("c1=%d\n",c1);
    printf("c2=%d\n",c2);
    
    
    return 0;
}

运行结果：

c1=A
c1=B
c1=65
c2=66

存储特点

一个字符变量只能存放一个字符。C编译系统规定以一个字节的存储空间来存放一个字符，因此，一个字符变量在内存中的大小是1个字节（1字节=1字符）。

字符数据在内存中的存储形式

将一个字符常量存入一个字符变量，实际上是将该字符对应的ASCII码存入内存单元。

范例

char c1 = ‘a’, c2 = ‘b’；'a’的ASCII为97，'b’的ASCII码为98，它们在内存中的存储形式为97和98对应的二进制形式：01100001和01100010。

字符型数据和整型数据的通用性

在内存中字符数据的存储形式与整型数据类似，这就使得字符型数据和整型数据之间可以通用，也就是1个字符数据既可以以字符形式输出，也可以以整数形式输出。

• 以字符形式输出时，编译系统将内存单元中的ASCII码转换为相应的字符，然后输出。
• 以整型输出时，直接将ASCII码作为整数输出。

因此，可以对字符数据进行算数运算，这时相当于对其ASCII码进行算数运算。

案例：给字符变量赋整数值（demo03.c）

#include <stdio.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    char c1,c2;
    c1 = 97;// char既能赋值字符,也能赋值整数(ASCII码)
    c2 = 98;
    
    printf("%c %c \n",c1,c2);// a b, 以字符形式输出
    printf("%d %d \n",c1,c2);// 97 98, 以整数形式输出
    
    return 0;
}

说明：char类型可以赋值为字符，也可以赋值为整数（char a = 128，显示的结果范围：-128~127），演示案例：

c1在内存的存储形式以及不同形式的输出，如下图所示：

案例：大小写字母转换（demo06.c）

#include <stdio.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    char c1,c2;
    
    c1 = 'm';
    c2 = 'Y';
    
    printf("转换前:%c,%c\n",c1,c2);
    
    // 转换
    c1 = c1 - 32;
    c2 = c2 + 32;
    
    printf("转换后:%c,%c\n",c1,c2);
    
    
    return 0;
}

总结

变量、数据类型、常量、标识符以及各类数据在内存中的存储形式等内容的学习，我们对 C 语言的基础要素有了更清晰的认识。这些知识是后续深入学习 C 语言编程的重要基石，希望大家能扎实掌握，为应对更复杂的编程问题和完成章节作业打下坚实基础。
注：后续笔记将围绕C语言知识展开，建议每日实操时长不少于3小时