C++入门——4.基本数据类型

基本数据类型简介

在变量中，我们初次使用了变量，其定义需要指定一个数据类型，以下将介绍基本数据类型。

基本数据类型

下面是基本数据类型的列表：

类型	类别	含义	样例
float double long double	浮点数	有分数部分的数字	3.1415926
bool	bool 整型	true 或 false	true
char / wchar_t / char8_t (C++20) / char16_t (C++11) / char32_t (C++11)	字符整型	一个单独的字符	‘c’
short int / int / long int / long long int (C++11)	整数整型	含0，正数或负数	42
std::nullptr_t (C++11)	Null Pointer	空指针	nullptr
void	Void	无类型	n/a

后缀（`_t`）

在较新版本的C++中定义了许多类型（如，空指针 std::nullptr_t）使用 _t 后缀。这个后缀表示 type（类型），他是应用于现代类型的一个常见术语。

但许多类型没有_t后缀，这是不同版本引入的不一致导致的。

Void

Void 表示“没有类型”，也叫做空类型，和空指针不是一个东西。

Void 是不完整类型，因此无法被定义

不返回值函数

那Void有什么用呢？

答：可以为函数指定不需要返回值，用于一些只执行操作的函数。

void writeValue(int x) {
	std::cout << "The value of x is: " << x << "\n";
	// 无return语句
}

但此时如果返回了任意值，都会导致程序报错：

[Error] return-statement with a value, in function returning 'void' [-fpermissive]
[错误] 返回带有值的返回语句，在函数中返回 'void'[-fpermissive]

对象大小和sizeof运算符

对象大小

由于我们通常通过变量名（而不是直接通过内存地址）访问内存，编译器向我们隐藏了给定对象使用多少字节。当我们访问某个变量x时，编译器知道要检索多少字节的数据（基于变量x的类型），并可以为我们处理该任务。

基本数据类型大小

类别	类型	最小大小（字节）	通常大小（字节）
布尔	bool	1	1
字符	char	1	1
	wchar_t	1	2或4
	char8_t	1	1
	char16_t	2	2
	char32_t	4	4
整数	short	2	2
	int	2	4
	long	4	4或8
	long long	8	8
浮点数	float	4	4
	double	8	8
	long double	8	8或12或16
指针	std::nullptr_t	4	4或8

sizeof运算符

为了确定特定机器上数据类型的大小，C++提供了一个名为sizeof的运算符。
sizeof运算符是一元运算符，它接受类型或变量，并返回其大小（以字节为单位）。

示例程序：

#include <iostream>
#include <iomanip> // ÒýÈë std::setw (

int main()
{
	std::cout << std::left;
	std::cout << std::setw(16) << "bool:" << sizeof(bool) << "bytes\n";
	std::cout << std::setw(16) << "char:" << sizeof(char) << " bytes\n";
	std::cout << std::setw(16) << "short:" << sizeof(short) << " bytes\n";
	std::cout << std::setw(16) << "int:" << sizeof(int) << " bytes\n";
	std::cout << std::setw(16) << "long:" << sizeof(long) << " bytes\n";
	std::cout << std::setw(16) << "long long:" << sizeof(long long) << " bytes\n";
	std::cout << std::setw(16) << "float:" << sizeof(float) << " bytes\n";
	std::cout << std::setw(16) << "double:" << sizeof(double) << " bytes\n";
	std::cout << std::setw(16) << "long double:" << sizeof(long double) << " bytes\n";
	return 0;
}

当然，sizeof也可以直接用于变量：

#include <iostream>
#include <iomanip> // ÒýÈë std::setw (

int main()
{
	int x{};
	std::cout << "x is " << sizeof(x) << " bytes\n";
	return 0;
}

有符号整数

整数可以表示为 正整数 和 负整数，如：1, -1, 2, 0等。

C++中提供了4种基本整数类型：

类型	最小大小(字节)	注
short int	2
int	2	现代机器上通常是4个字节
long int	4
long long int	8

有符号整数

在C++中，也可以添加符号，用于表示有符号整数：

#include <iostream>

int main()
{
	int x{ -1 };
	std::cout << x << "\n";
	return 0;
}

有符号整数范围

下面是一个包含不同大小的有符号整数范围的表：

类型大小	取值范围
8位	-128 to 127
16位	-32,768 to 32,767
32位	-2,147,483,648 to 2,147,483,647
64位	-9,223,372,036,854,775,808 to 9,223,372,036,854,775,807

溢出（Overflow）

当算术运算（如加法或乘法）试图在可以表示的范围之外创建值，则这称为整数溢出（或算术溢出）。对于有符号整数，整数溢出将导致未定义的行为。

通常，溢出会导致信息丢失，这几乎是不可取的。如果怀疑对象可能需要存储超出其范围的值，请使用范围更大的类型！

整数除法

对两个整数进行除法时，当结果为整数时，当结果为整数时，C++的运行结果于预期一致；

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << 20 / 4 << "\n";
	return 0;
}

对两个整数进行除法（称为整数除法）时，C++始终生成整数结果。由于整数不能保存分数，因此任何分数部分都会被丢弃（而不是取整！）。

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << 8 / 5 << "\n";
	return 0;
}

观察上方，当 $8/5$ 产生值 1.6。其删除了小数部分（0.6），保留1的结果。我们也可以说 $8/5$ 等于1余数3。

无符号整数

除了有符号整数， C++还支持无符号整数。无符号整数只能保存非负整数

定义无符号整数

要定义无符号整数，我们使用 unsigned 关键字。它放在类型之前：

unsigned short us;
unsigned int ui;
unsigned long ul;
unsigned long long ull;

无符号整数范围

1字节无符号整数的范围为0到255。与1字节有符号整数的范围对比，两者都可以存储256个不同的值，但有符号整数将其范围的一半用于负数，所以无符号整数可以存储两倍大的正数。

下面的表格显示了无符号整数的范围：

类型大小	取值范围
8位	0 to 255
16位	0 to 65,535
32位	0 to 4,294,967,295
64位	0 to 18,446,744,073,709,551,615

无符号整数溢出

如果我们试图将数字280（需要9位来表示）存储在1字节（8位）无符号整数中，会发生什么情况？答案是溢出。

让我们看一下使用2字节无符号整数的情况：

#include <iostream>

int main()
{
    unsigned short x{ 65535 }; // 最大的16位无符号整数
    std::cout << "x was: " << x << '\n';

    x = 65536; // 65536 溢出, 所以重新取值
    std::cout << "x is now: " << x << '\n';

    x = 65537; // 65537 溢出, 所以重新取值
    std::cout << "x is now: " << x << '\n';

    return 0;
}

输出：

x was: 65535
x is now: 0
x is now: 1

因为 unsigned short 最大值为65535，那么65536溢出就会变为起始值0,65537就是1，以此类推。

避免使用无符号整数？

通过以下程序：

#include <iostream>

// int 是 4 字节
int main()
{
	unsigned int x{ 2 };
	unsigned int y{ 3 };

	std::cout << x - y << '\n'; // 2 - 3 = 4294967295

	return 0;
}

输出结果：

4294967295

如果使用的有符号整数，那么返回的就是-1了。使用无符号明显没达到想要的效果。

固定宽度整数和size_t

为什么整数变量的大小不固定？

C选择故意将整数的大小保持为可修改状态，以便编译器实现者可以为int选择在目标计算机体系结构上性能最好的大小。

考虑int类型。int的最小大小是2个字节，但在现代架构上通常是4个字节。如果假设int只有2个字节以确保最大兼容性，那么在int为4个字节的系统上，每个整数浪费2个字节，内存使用量加倍！

固定宽度整数

为了解决上诉问题，C99定义了一组固定宽度的整数（在stdint.h头中），这些整数在任何体系结构都保证大小相同。

类型	类别	范围
std::int8_t	一字节有符号	-128 to 127
std::uint8_t	一字节无符号	0 to 255
std::int16_t	两字节有符号	-32,768 to 32,767
std::uint16_t	两字节无符号	0 to 65,535
std::int32_t	四字节有符号	-2,147,483,648 to 2,147,483,647
std::uint32_t	四字节无符号	0 to 4,294,967,295
std::int64_t	八字节有符号	-9,223,372,036,854,775,808 to 9,223,372,036,854,775,807
std::uint64_t	八字节无符号	0 to 18,446,744,073,709,551,615

使用固定整数有以下缺点：

并非所有架构都支持固定宽度整数，在某些特殊架构（如奇特大型机或嵌入式平台）上可能导致程序无法编译，不过现代架构大多已标准化8/16/32/64位变量，该问题出现概率低。
在某些架构上，固定宽度整数可能比更大类型运行慢，尽管CPU处理特定类型速度快不代表程序整体快，因现代程序常受内存速度限制，大内存占用可能致程序运行变慢，具体需实际测量。

快速整数和至小整数

为了解决上述缺点，C++定义了两个可选整数集。

快速类型（std::int_fast#_t 和 std::uint_fast#_t）
- 提供最快的有符号/无符号整数类型，宽度至少为#位（其中#=8、16、32或64）
- 所谓最快，指的是CPU可以最快地处理的整数类型
至小类型（std::int_least#_t 和 std::uint_least#_t）
- 提供宽度至少位#位的最小有符号/无符号整数类型（其中#=8、16、32或64）。例如，std::uint_least32_t将提供最小的无符号整数类型，该类型至少位32位

示例：

#include <cstdint>
#include <iostream>


int main()
{
	std::cout << "least 8: " << sizeof(std::int_least8_t) * 8 << "bits\n";
	std::cout << "least 16: " << sizeof(std::int_least16_t) * 8 << " bits\n";
	std::cout << "least 32: " << sizeof(std::int_least32_t) * 8 << " bits\n";
	std::cout << '\n';
	std::cout << "fast 8:  " << sizeof(std::int_fast8_t) * 8 << " bits\n";
	std::cout << "fast 16: " << sizeof(std::int_fast16_t) * 8 << " bits\n";
	std::cout << "fast 32: " << sizeof(std::int_fast32_t) * 8 << " bits\n";
	
	return 0;
}

输出：

least 8:  8 bits
least 16: 16 bits
least 32: 32 bits

fast 8:  8 bits
fast 16: 32 bits
fast 32: 32 bits

科学计数法

在初中数学中，我们学过一种简洁的方式书写冗长数字的速记方法——科学计数法。

在科学计数法中，将数字采用以下形式：有效位 x 10的指数。例如：12000写作$1.2*10^4$。

在C++中没办法直接输入指数，因此，我们使用字母“e”来表示方程的n次幂，如：$1.210^4$ 写为 1.2e4，负数次幂就直接写负数 $5/100或0.05$ 可以写为 $510^-2$

如何将数字转换为科学计数法

步骤如下：

指数从0开始
滑动小数点，使小数点左侧只有一个非零数字。
- 向左滑动一位，指数加一
- 向右滑动一位，指数减一
删去任何前导零（在有效位的左端）
尾部的0如果有效，则不能删除

示例如下：

开始：0.0078900
小数点右滑3位：0007.8900e-3
删除前导0：7.8900e-3
保留尾部的0：7.89e-3 (5个有效位)

开始：600.410
小数点左滑2位：6.00410e2
无前导0：6.00410e2
保留尾部的0：6.00410e2（6个有效位）

下面是需要理解的最重要的一点：有效位中的数字 （“e”之前的部分）称为有效数字。有效位数定义数字的精度。有效位中的数字越多，数字就越精确。

浮点数

浮点数，也就是数学中的“小数”，其有三种不同的浮点数据类型：单精（float）、双精度（double）和长双精（long double）

其大小如下：

类型	最小大小	常见大小
float	4字节	4字节
double	8字节	8字节
long double	8字节	8,12或16字节

打印浮点数字

观察程序：

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << 5.0 << "\n";
	std::cout << 6.7f << "\n";
	std::cout << 9876543.21 << "\n";
	
	return 0;
}

输出结果：

5
6.7
9.87654e+006

其情况如下：

默认情况下，如果小数部分为0，则 std::cout 不会打印数字的小数部分。
正常打印
使用科学计数法

浮点范围

位数	范围	精度
4 字节	±1.18 x 10^-38 to ±3.4 x 10^38 and 0.0	6-9 个有效位, 通常是 7 个
8 字节	±2.23 x 10^-308 to ±1.80 x 10^308 and 0.0	15-18 个有效位，通常 16 个
80 位 (通常占用12 或 16 字节)	±3.36 x 10^-4932 to ±1.18 x 10^4932 and 0.0	18-21 个有效位
16 字节	±3.36 x 10^-4932 to ±1.18 x 10^4932 and 0.0	33-36 个有效位

浮点精度

当想要使用浮点数（小数）来表示分数$1/3$时，这个数字将会显示为 $0.33333333333333......$。

在C++中，浮点数的小数位不是无限的，其定义了浮点精度，用于限制表示的数字长度。

浮点数的精度定义了它可以表示多少个有效数字，而不会丢失信息。

浮点数默认的进度为6，如下程序：

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << 9.87654321f << '\n';
	std::cout << 987.654321f << '\n';
	std::cout << 987654.321f << '\n';
	std::cout << 9876543.21f << '\n';
	std::cout << 0.0000987654321f << '\n';
	
	return 0;
}

程序输出：

9.87654
987.654
987654
9.87654e+006
9.87654e-005

当然，默认的精度大小也可以更改，使用 std::setprecision() 的输出操纵函数覆盖 std::cout 显示的默认精度。

#include <iomanip> // 引入 std::setprecision()
#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << std::setprecision(17); // 输出时，进度保留17位
	std::cout << 3.33333333333333333333f << "\n"; // f 意味着 float 类型
	std::cout << 3.33333333333333333333 << "\n"; // 没有后缀意味着 double 类型
	
	return 0;
}

输出：

3.3333332538604736
3.3333333333333335

虽然精度设置为了17位，但单精度的还是有些误差，但双精度的误差就比较小了。

布尔值

布尔变量

布尔变量只有两个可能的变量：【true或false】

声明布尔变量，需要使用关键字 bool：

bool b;

初始化布尔值示例：

bool b1 { true };
bool b2 { false };
b1 = false;
bool b3 {}; // 默认初始化成false

正如一元减号运算符（-）可以用于使整数为负一样，逻辑NOT运算符（！）可以用于将布尔值从true翻转为false，或从false翻转为true：

bool b1 { !true };
bool b2 { !false };

if语句简介

if语句只有在满足条件的情况下才会执行语句内的代码，最简单的if语句采用以下形式：

if (条件表达式) 语句;

条件表达式：计算的结果为布尔结果的表达式，如：

aa==bb：aa等于bb，如果等于就会执行语句，不等于就不执行
aa!=bb：aa不等于bb，如果不等于就执行语句，等于就不执行

位了可读性，通常也可以写成如下：

if (条件表达式)
	语句;

使用if语句的示例程序

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << "Enter an integer: ";
	int x {};
	std::cin >> x;
	
	if (x == 0)
		std::cout << "The value is zero\n";
	
	return 0;
}

结果如下：

if-else

上面的例子中，我们成功处理了输入数字为0的情况，如果我们想高数用户他们输入的数字不为0时，该怎么办？

可以使用 if-else，其语法如下：

if (条件语句)
	语句
else
	语句

修改后的程序：

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << "Enter an integer: ";
	int x {};
	std::cin >> x;
	
	if (x == 0)
		std::cout << "The value is zero\n";
	else
		std::cout << "The value is non-zero\n";
	
	return 0;
}

串联if语句（if-else if-else）

有时想要按顺序判断几个条件的真假，我们可以使用 if 或 if - else if -else来实现，如下：

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << "Enter an integer: ";
	int x {};
	std::cin >> x;
	
	if (x > 0)
		std::cout << "The value is positive\n";
	else if (x < 0)
		std::cout << "The value is negative\n";
	else
		std::cout << "The value is zero\n";
}

演示：

布尔返回值域if语句

函数的返回值也可以做为if语句的判断条件：

#include <iostream>

// x与y相等返回true, 否则返回false
bool isEqual(int x, int y)
{
	return x == y;
}

int main() {
	std::cout << "Enter an integer: ";
	int x {};
	std::cin >> x;
	
	std::cout << "Enter another integer: ";
	int y {};
	std::cin >> y;
	
	if (isEqual(x, y))
		std::cout << x << " and " << y << " are equal\n";
	else
		std::cout << x << " and " << y << " are not equal\n";
}

Enter an integer: 1
Enter another integer: 2
1 and 2 are not equal

非布尔条件

也就是相反条件，比如 1 != 2 就是 1不等于2

也可以直接用于反转最终的布尔返回值，如：

#include <iostream>

// x与y相等返回true, 否则返回false
bool isEqual(int x, int y)
{
	return x == y;
}

int main() {
	std::cout << "Enter an integer: ";
	int x {};
	std::cin >> x;
	
	std::cout << "Enter another integer: ";
	int y {};
	std::cin >> y;
	
	if (!isEqual(x, y))
		std::cout << x << " and " << y << " are equal\n";
	else
		std::cout << x << " and " << y << " are not equal\n";
}

最后的结果将会相反：

Enter an integer: 1
Enter another integer: 2
1 and 2 are equal

字符类型

作用：字符型变量显示单个字符
语法：char c = 'x';

tip：

在显示字符类型时，只能使用 '（单引号），不能使用 "（双引号）

单引号内只能有一个字符，多个需要使用字符串

示例代码：

#include <iostream>

int main()
{
	// 字符串的定义
	char ch = 'a';
	std::cout << ch << "\n";
	std::cout << sizeof(char) << "\n";
	
	
	// 错误定义演示
	// ch = "abcde" // 字符不能使用双引号,且不能有多个字符同时存在
	// ch = 'abcde'; // 不能有多个字符同时存在
	
	std::cout << (int)ch << "\n"; // 查看字符a对应的ASCII码
	ch = 97; // 可以直接使用ASCII给字符型变量赋值
	std::cout << ch << "\n";
	
    system("pause");

    return 0;
}

ASCII码表格：

ASCII值	控制字符	ASCII值	字符	ASCII值	字符	ASCII值	字符
0	NUT	32	(space)	64	@	96	、
1	SOH	33	!	65	A	97	a
2	STX	34	"	66	B	98	b
3	ETX	35	#	67	C	99	c
4	EOT	36	$	68	D	100	d
5	ENQ	37	%	69	E	101	e
6	ACK	38	&	70	F	102	f
7	BEL	39	,	71	G	103	g
8	BS	40	(	72	H	104	h
9	HT	41	)	73	I	105	i
10	LF	42	*	74	J	106	j
11	VT	43	+	75	K	107	k
12	FF	44	,	76	L	108	l
13	CR	45	-	77	M	109	m
14	SO	46	.	78	N	110	n
15	SI	47	/	79	O	111	o
16	DLE	48	0	80	P	112	p
17	DCI	49	1	81	Q	113	q
18	DC2	50	2	82	R	114	r
19	DC3	51	3	83	S	115	s
20	DC4	52	4	84	T	116	t
21	NAK	53	5	85	U	117	u
22	SYN	54	6	86	V	118	v
23	TB	55	7	87	W	119	w
24	CAN	56	8	88	X	120	x
25	EM	57	9	89	Y	121	y
26	SUB	58	:	90	Z	122	z
27	ESC	59	;	91	[	123	{
28	FS	60	<	92	/	124	\|
29	GS	61	=	93	]	125	}
30	RS	62	>	94	^	126	`
31	US	63	?	95	_	127	DEL

字符串类型

作用：用于表示一串字符

声明方式：

C风格：char 变量名[] = "字符串值"

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	char str1[] = "hello world";
	cout << str1 << endl;
	
	system("pause");
	
	return 0;
}

C++风格：string 变量名 = "字符串值"

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	string str1 = "hello world";
	cout << str1 << endl;
	
	system("pause");
	
	return 0;
}

转义字符

作用：表示一些特殊作用的字符串

常用的有：

\n：表示换行

cout << "hello" << "\n" << "world";

\t：制表符（TAB键），长用于固定多个字符的间隙

cout << "hello" << "\t" << "world\t" << "!";

转义字符还能表示的特殊就是系统保留的ASCII字符，正常无法输出，可以使用\x来表示，如：

\\：表示\
\'：表示'

转义字符	含义	ASCII码值（十进制）
\a	警报	007
\b	退格(BS) ，将当前位置移到前一列	008
\f	换页(FF)，将当前位置移到下页开头	012
\n	换行(LF) ，将当前位置移到下一行开头	010
\r	回车(CR) ，将当前位置移到本行开头	013
\t	水平制表(HT) （跳到下一个TAB位置）	009
\v	垂直制表(VT)	011
\	代表一个反斜线字符""	092
'	代表一个单引号（撇号）字符	039
"	代表一个双引号字符	034
?	代表一个问号	063
\0	数字0	000
\ddd	8进制转义字符，d范围0~7	3位8进制
\xhh	16进制转义字符，h范围0~~9，a~~f，A~F	3位16进制

基本数据类型简介

基本数据类型

后缀（_t）

Void

不返回值函数

对象大小和sizeof运算符

对象大小

基本数据类型大小

sizeof运算符

有符号整数

有符号整数

有符号整数范围

溢出（Overflow）

整数除法

无符号整数

定义无符号整数

无符号整数范围

无符号整数溢出

避免使用无符号整数？

固定宽度整数和size_t

为什么整数变量的大小不固定？

固定宽度整数

快速整数和至小整数

科学计数法

如何将数字转换为科学计数法

浮点数

打印浮点数字

浮点范围

浮点精度

布尔值

布尔变量

if语句简介

使用if语句的示例程序

if-else

串联if语句（if-else if-else）

布尔返回值域if语句

非布尔条件

字符类型

字符串类型

转义字符

后缀（`_t`）