1.關(guān)鍵字sizeof

sizeof 與 strlen 是我們?nèi)粘４虼a時(shí)經(jīng)常使用到的兩個(gè)“工具”。前者是求變量或者類(lèi)型的大小(單位為字節(jié))，后者是求某一字符串的長(zhǎng)度。我們很容易產(chǎn)生這樣一個(gè)誤解，即把 sizeof 和 strlen 歸為函數(shù)一類(lèi)。事實(shí)上 sizeof 并不是一個(gè)函數(shù)，它是一個(gè)操作符、關(guān)鍵字。我們通過(guò)一段代碼證明它不是函數(shù)：

#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;
}

我們注意到紅線部分的 sizeof 后面的變量名沒(méi)有加括號(hào)也能正常運(yùn)行：

這就證明了 sizeof 它不是一個(gè)函數(shù)，而是一個(gè)操作符、關(guān)鍵字。

在這里順便復(fù)習(xí)一下關(guān)于數(shù)組的知識(shí)，即數(shù)組名的兩個(gè)特例(除了這兩種情況其他任何時(shí)候數(shù)組名都表示數(shù)組首元素地址)：

• sizeof 內(nèi)單獨(dú)放數(shù)組名，其數(shù)組名表整個(gè)數(shù)組。
• & 數(shù)組名，表取整個(gè)數(shù)組的地址。

由此也可以看出 sizeof 與函數(shù)的區(qū)別。

2.整型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深入

變量的作用是在內(nèi)存中開(kāi)辟一塊空間，而類(lèi)型則決定了這塊空間有多大。

我們可以與 sizeof 結(jié)合起來(lái)驗(yàn)證這個(gè)問(wèn)題：

#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;
}

我們知道，計(jì)算機(jī)只能識(shí)別二進(jìn)制，恰恰計(jì)算機(jī)系統(tǒng)又能把我們?nèi)祟?lèi)熟練使用的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，并且產(chǎn)生相應(yīng)的原碼、反碼、補(bǔ)碼。設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的人設(shè)計(jì)出這樣一套規(guī)則是非常巧妙的。

我們引出原碼、反碼、補(bǔ)碼如何計(jì)算以及他們之間如何轉(zhuǎn)換：

• 原碼：將數(shù)字直接翻譯成二進(jìn)制得到的序列。
• 反碼：在原碼的基礎(chǔ)上符號(hào)位(二進(jìn)制序列的最高位，1表負(fù)數(shù)，0表負(fù)數(shù))不變，替他位按位取反得到的序列。
• 補(bǔ)碼：在反碼的基礎(chǔ)上加1。
• 補(bǔ)碼計(jì)算回原碼方法一：補(bǔ)碼減1，然后符號(hào)位不變，其他位按位取反得到原碼。
• 補(bǔ)碼計(jì)算回原碼方法二：補(bǔ)碼符號(hào)位不變，其他位按位取反，然后加1。此方法與原碼計(jì)算補(bǔ)碼的方式是一樣的，這樣做的意義在于 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，只要設(shè)計(jì)一套計(jì)算方法就可以完成原碼、反碼、補(bǔ)碼之間的相互轉(zhuǎn)換。

那么具體的例子，在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)——整形篇有講到，這里就不贅述。

我們需要明白的是：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到變量當(dāng)中，不會(huì)受到類(lèi)型的影響。什么意思呢？我們舉個(gè)例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
	unsigned int p = -10;
	return 0;
}

大家可以看到，我把一個(gè)負(fù)數(shù)存入到無(wú)符號(hào)的整型變量 p 中，這有些違反我們的直覺(jué)，無(wú)符號(hào)類(lèi)型不是不存在負(fù)數(shù)的概念嗎？事實(shí)上，不是程序出錯(cuò)，而是我們的直覺(jué)有問(wèn)題。

我們?cè)谝婚_(kāi)頭便闡述了變量的作用在內(nèi)存中開(kāi)辟一塊空間，而類(lèi)型便是決定開(kāi)辟多大的空間。就好比說(shuō)，我們有 100 ，放在了我的荷包里，那我們能說(shuō)我有 100 塊嗎？就算是錢(qián)，我們定義它是美元、港幣、日元了嗎？所以，我們可以把變量看成 100 ，類(lèi)型看成是美元、港幣、日元等等。

到這里，我們就可以清楚，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與變量的類(lèi)型是沒(méi)有關(guān)系的，變量的作用僅僅是開(kāi)辟一塊空間讓我們的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)去。聊到這里，不妨讓我們?cè)倩仡櫼幌拢蛿?shù)據(jù)是如何存放在變量(內(nèi)存)里面的。我們就以上面那段代碼為例：

這里再提一嘴：雖然內(nèi)存中存放的是二進(jìn)制序列，但為了我們方便，內(nèi)存還是會(huì)以十六進(jìn)制的表現(xiàn)形式表現(xiàn)出來(lái)。

我們?cè)囂叫酝鶅?nèi)存里面看 p 變量里面存的是什么東西：

可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)存里面的各種數(shù)據(jù)都對(duì)上了我們分析的結(jié)果，但是看起來(lái)有點(diǎn)“怪”。我們就來(lái)分析“怪”在哪里：

我們知道 int 類(lèi)型是有 4 個(gè)字節(jié)的，那么數(shù)據(jù)占了 4 個(gè)字節(jié)沒(méi)有問(wèn)題。那么如果是以 1 列的形式查看地址，可以看到從上到下的地址是遞增的。

現(xiàn)在我們以 4 列的形式查看地址，可以看到從左往右地址遞增，從上往下地址遞增。

得出一個(gè)現(xiàn)象：f6 存在了我們的低地址處。

我們似乎可以這樣做推導(dǎo)：

這樣的存儲(chǔ)模式我們叫做小端存儲(chǔ)。為什么這樣的模式叫做小端存儲(chǔ)？我們使用這個(gè)案例來(lái)類(lèi)比：

所以我們得出結(jié)論，小端與大端的存儲(chǔ)模式可以定義為：

• 權(quán)重小的數(shù)位放入內(nèi)存中的低地址處，權(quán)重大的放入內(nèi)存中的高地址處，這樣的存儲(chǔ)模式叫小端存儲(chǔ)。
• 權(quán)重小的數(shù)位放入內(nèi)存中的高地址處，權(quán)重小的放入內(nèi)存中的低地址處，這樣的存儲(chǔ)模式叫大端存儲(chǔ)。

為什么會(huì)有這種看似復(fù)雜的存儲(chǔ)模式？我們可以舉一個(gè)例子：我們大家都吃過(guò)雞蛋，有些人剝殼喜歡往小的那一頭剝，有的人喜歡往大的那一頭剝，也就是“剝雞蛋”這個(gè)動(dòng)作，沒(méi)有統(tǒng)一的行為概念。硬件制作廠商也不例外，有的廠商想讓數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)行為是小端，也有的廠商想讓數(shù)據(jù)以大端的模式進(jìn)行存儲(chǔ)，只不過(guò)我們平時(shí)所接觸的硬件，都是以小端模式存儲(chǔ)字節(jié)序的。

我們討論了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，現(xiàn)在我們來(lái)討論一下數(shù)據(jù)的“取出”規(guī)則。

好比說(shuō)我們舉這個(gè)例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
	unsigned int p = -10;
	printf("%u\n", p);
	printf("%d\n", p);
	return 0;
}

我們可以看到，對(duì)于 -10 存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中，我們第一次使用 %u 的形式將它從內(nèi)存里拿出來(lái)，第二次使用 %d 的形式將它從內(nèi)存中拿出來(lái)。

我們可以看到，對(duì)于不同類(lèi)型的使用方式就會(huì)造成不同的結(jié)果。我們似乎可以這樣斷定：數(shù)據(jù)類(lèi)型不會(huì)影響數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，但一定會(huì)影響數(shù)據(jù)的取出(使用)。我們來(lái)分析一下為什么使用不同的類(lèi)型打印能造成不同的結(jié)果：

所以我們?cè)倏偨Y(jié)一次：變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)產(chǎn)生影響(截?cái)嘁膊荒芩愠墒且环N影響)，但數(shù)據(jù)類(lèi)型一定會(huì)影響數(shù)據(jù)的取出、使用。

3.數(shù)據(jù)類(lèi)型取值范圍深入

什么叫數(shù)據(jù)類(lèi)型的取值范圍？好比說(shuō)我們有這樣一個(gè)例子：

那么我們?nèi)?C 語(yǔ)言中大小最小的數(shù)據(jù)類(lèi)型 char 來(lái)討論數(shù)據(jù)類(lèi)型的取值范圍。

我們知道，char 類(lèi)型只有 1 個(gè)字節(jié)，它有 8 個(gè)比特位。無(wú)符號(hào)類(lèi)型的 char 我們就不做討論，我們重點(diǎn)討論無(wú)符號(hào)類(lèi)型的 char 。那么 8 個(gè)比特位，能有多少種排列組合？能從什么值取到什么值？

那么通過(guò)演繹推理，得出來(lái)排列組合得個(gè)數(shù)，有什么意義呢？可以確定八個(gè)比特位能存放多少個(gè)數(shù)字。例如兩個(gè)比特位能存放 4 個(gè)數(shù)字，三個(gè)比特位能存放 8 個(gè)數(shù)字，八個(gè)比特位能存放 256 個(gè)數(shù)字。

現(xiàn)在我們的重點(diǎn)在于：char 類(lèi)型的八個(gè)比特位，能存哪 256 個(gè)數(shù)字？

可以看到這個(gè)結(jié)果，取值范圍似乎是 [-127,127] ，但是這個(gè)區(qū)間里面只有 255 個(gè)數(shù)，那我們理論推導(dǎo)出來(lái)的結(jié)果是 256 個(gè)數(shù)，是我們推導(dǎo)錯(cuò)了嗎？其實(shí)不然，我們應(yīng)該注意 1000 0000 后面的那個(gè)問(wèn)號(hào)：如果這串二進(jìn)制序列真表示 0 了，那么就有兩個(gè) 0 了，但是在計(jì)算機(jī)在考慮取值范圍的時(shí)候，是不會(huì)浪費(fèi)任何一個(gè)比特位來(lái)存放相同的數(shù)字的。

那么既然沖突了，就要在兩個(gè)邊界任意一端擴(kuò)充。那么是 128 還是 -128 呢？只能是 -128 。在這里，我們就已經(jīng)踏入計(jì)算機(jī)的知識(shí)邊界了，為什么只能是 -128 它是個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，就好比為什么會(huì)設(shè)計(jì)出原碼、反碼、補(bǔ)碼一樣，我們是無(wú)法理解設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的人為什么會(huì)這樣設(shè)計(jì)的。所以在這里只需記住，char 類(lèi)型的取值范圍是 [-2^7,2^7-1] 。那么我們類(lèi)比出來(lái) short 類(lèi)型的取值范圍是 [-2^15,2^15-1] , int 類(lèi)型的取值范圍是 [-2^31,2^31-1] ……

我們來(lái)看一個(gè)非常經(jīng)典的例題：

#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;
}

那么這道題要我們輸出 arr 數(shù)組的長(zhǎng)度是什么意思呢？我們?cè)俸煤孟胂?strlen 。strlen 是求字符串長(zhǎng)度，我們模擬實(shí)現(xiàn)過(guò) strlen 的工作機(jī)制，知道遇到 '\0' 時(shí)就停止，返回 '\0' 之前的字符長(zhǎng)度。那么 '\0' 就是數(shù)學(xué)意義上的 0 。其 '\' 是轉(zhuǎn)義字符，如果僅僅寫(xiě) '0' 的話，那么這個(gè) '0' 并非數(shù)學(xué)意義上的 0 ，而是一個(gè)字符 0 。

好的，那我們知道這段代碼會(huì)循環(huán) 1000 次對(duì)數(shù)組賦值。實(shí)際上我們的輸出的要求是：輸出 '\0' 出現(xiàn)之前的字符長(zhǎng)度。我們可以這么運(yùn)算：

我們通過(guò)計(jì)算，可以計(jì)算出當(dāng)數(shù)組下標(biāo)為 255 時(shí)，元素存儲(chǔ)的是 0 ，即代表存儲(chǔ)的是 '\0' ，那么 strlen 碰到 '\0' 時(shí)就會(huì)停止。那么數(shù)組下標(biāo)為 255 ，那數(shù)組下標(biāo) 0~255 有 256 個(gè)元素，舍棄一個(gè) '\0' ，即剩下 255 個(gè)有效字符。所以最后輸出 255 。