整数
字数: 0 字 阅读时间: 0 分钟
Storage of basic types | Microsoft Learn
C 大师 016 022-031
整数可谓是在程序中最常用的一种数据类型。但是，整数是有范围的，如果超出了其存储范围就会溢出。
为什么整数会溢出，举个例子。下面这种机械计数的跳绳用过吧。当我们跳了 999 下后，再跳一下就会变成 000，千位的 1 丢失了。
在计算机里也一样， uint8_t 占用 8 个二进制位，当到 255 即二进制 1111 1111 时，继续加 1 会变成 1 0000 0000 ，但是 uint8_t 只有 8 个二进制位。最高位的 1 会被舍弃，变成 0。
关于整数范围与 CPU 架构那点破事，参见：「C 大师 023.long,long long 与 CPU 架构的那些事儿」
stdint.h
如果要确定一个整数的范围，可以使用 stdint.h 中定义的类型。这个头文件会根据系统平台与 CPU 架构来确定整数的范围。下面是 ARM Clang 编译器的 stdint.h 头文件简单介绍：
/* Copyright (C) ARM Ltd., 1999,2014 */
/* All rights reserved */
/* 省略部分代码注释。。。 */
/* 定义有符号固定宽度整数 */
typedef signed char int8_t;
typedef signed short int int16_t;
typedef signed int int32_t;
typedef signed __INT64 int64_t;
/* 定义无符号固定宽度整数 */
typedef unsigned char uint8_t;
typedef unsigned short int uint16_t;
typedef unsigned int uint32_t;
typedef unsigned __INT64 uint64_t;
/* 定义有符号最小宽度整数 */
typedef signed char int_least8_t;
typedef signed short int int_least16_t;
typedef signed int int_least32_t;
typedef signed __INT64 int_least64_t;
/* 定义无符号最小宽度整数 */
typedef unsigned char uint_least8_t;
typedef unsigned short int uint_least16_t;
typedef unsigned int uint_least32_t;
typedef unsigned __INT64 uint_least64_t;
/* 定义有符号快速整数 */
typedef signed int int_fast8_t;
typedef signed int int_fast16_t;
typedef signed int int_fast32_t;
typedef signed __INT64 int_fast64_t;
/* 定义无符号快速整数 */
typedef unsigned int uint_fast8_t;
typedef unsigned int uint_fast16_t;
typedef unsigned int uint_fast32_t;
typedef unsigned __INT64 uint_fast64_t;
/* 定义int指针 */
#if __sizeof_ptr == 8
typedef signed __INT64 intptr_t;
typedef unsigned __INT64 uintptr_t;
#else
typedef signed int intptr_t;
typedef unsigned int uintptr_t;
#endif
/* 定义平台支持的最大整数类型 */
typedef signed __LONGLONG intmax_t;
typedef unsigned __LONGLONG uintmax_t;
/* 定义有符号数最小值 */
#define INT8_MIN -128
#define INT16_MIN -32768
#define INT32_MIN (~0x7fffffff) /* -2147483648 is unsigned */
#define INT64_MIN __INT64_C(~0x7fffffffffffffff) /* -9223372036854775808 is unsigned */
/* 定义有符号数最大值 */
#define INT8_MAX 127
#define INT16_MAX 32767
#define INT32_MAX 2147483647
#define INT64_MAX __INT64_C(9223372036854775807)
/* 定义无符号数最大值 */
#define UINT8_MAX 255
#define UINT16_MAX 65535
#define UINT32_MAX 4294967295u
#define UINT64_MAX __UINT64_C(18446744073709551615)
/* 省略fast, least, 指针和最大整数类型的最大值和最小值 */
/* 省略常量整数定义 */
/* end of stdint.h */这个头文件包含了各种条件编译来判断编译器、编译平台、编译 C 标准以及 C++ 等。
inttypes.h
我们在用 scanf, printf 这类带格式控制符的函数时， int 类型的整数可以用 %d ， unsigned int 类型的整数可以用 %u ，那么 int16_t 类型， int8_t 类型的整数用什么呢？你可能会想，我全用 %d 不就行了？其实还真不行。请看下面代码：
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
int32_t i32_num = 123456789;
uint8_t i8_num;
scanf("%d", &i8_num);
printf("i32_num = %d, i8_num = %d", i32_num, i8_num);
return 0;
}输入 1, 运行结果:
>>> 1
i32_num = 117440512, i8_num = 1scanf 只给 i8_num 赋值了，没有给 i32_num 赋值。但是我们输出 i32_num 却发现值变了，这是为什么呢？那么这其中究竟发送了什么？我们用 Debug 来探究一下：
我们在内存中定位到的 i8_num 和 i32_num 的位置如下，由于是小端序，所以 i32_num 的十六进制值实际是 0x075bcd15 ，也就是我们初始定义的 123456789。
接着， scanf 输入 1，继续。
发现什么了？ i32_num 前三字节全部变成 0 了，这时候 i32_num = 0x07000000 = 117440512(10) 。在 64 位机上， int 类型占 4 字节，也就是说， %d 输入整数的时候一次会填充四个字节。但是 i8_num 只占一字节，那么剩下三个字节就会覆盖其他变量的位置，造成上面的问题。
你可能会问，为什么 i32_num 在 i8_num 的后面呢？这是由于栈是向下生长的，也就是从高地址往低地址生长。当 main 函数入栈后按照顺序将局部变量依次进栈，先是 i32_num ，再是 i8_num ， i32_num 在高地址， i8_num 在低地址。而我们看内存一般从左往右是低地址到高地址，所以 i32_num 在 i8_num 的后面。
地址实际上就是对内存位置的编号。就像你家的门牌号一样，低地址就是编号小的，高地址就是编号大的。我们假如要统计一个社区各家的人口，那么做表的时候自然也会按照门牌号从小到大依次排列。这就跟内存一样的。
因此如果要用格式控制符输入或者输出整数，最好用 inttypes.h 中定义的头文件。 inttypes.h 定义了各种不同宽度整数的格式控制符，因此我们可以安全的输入和输出变量。上面的代码就可以改写成：
#include <inttypes.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
int32_t i32_num = 123456789;
uint8_t i8_num;
scanf("%" SCNd8, &i8_num);
printf("i32_num = %" PRId32 ", i8_num = %" PRId8, i32_num, i8_num);
return 0;
}可以自行跳转到 inttypes.h 中看看，不算难这里就不多赘述了。
整数的隐式类型转换
Assignment conversions | Microsoft Learn
C 大师 028
首先想一下下面的代码运行结果是什么：
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
int main(void) {
/* 无符号到有符号 */
uint16_t u16num_1 = 45024;
int16_t s16num_1 = u16num_1;
printf("u16num = %" PRIu16 ", s16num = %" PRId16 "\n", u16num_1, s16num_1);
/* 大范围到小范围 */
int32_t s32num_2 = 40328;
int16_t s16num_2 = s32num_2;
printf("s32num = %" PRId32 ", s16num = %" PRId16 "\n", s32num_2, s16num_2);
/* 小范围到无符号大范围 */
int16_t s16num_3 = -1;
uint32_t u32num_3 = s16num_3;
printf("s16num = %" PRId16 ", s32num = %" PRIu32 "\n", s16num_3, u32num_3);
return 0;
}运行结果
u16num = 45024, s16num = -20512
s32num = 40328, s16num = -25208
s16num = -1, s32num = 4294967295没什么多说的，如果理解了上面所说的整数溢出，那么应该很容易理解为什么结果是这样。
除了上述直接赋值的情况，还有一种情况就是两个不同类型的数运算。请看以下代码：
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
uint32_t u32_num = 10;
int32_t s32_num = -1;
if (s32_num > u32_num) {
printf("%d > %u\n", s32_num, u32_num);
}
if ((s32_num - u32_num) > 0) {
printf("signed: %d - %u = %d\n", s32_num, u32_num,
(s32_num - u32_num));
printf("unsigned: %d - %u = %u\n", s32_num, u32_num,
(s32_num - u32_num));
}
return 0;
}运行结果：
-1 > 10
signed: -1 - 10 = -11
unsigned: -1 - 10 = 4294967285显然 -1 > 10 在数学上是不成立的，而且第二个 if 虽然 -1 - 10 = -11 > 0 在数学上也不成立。那这是为什么呢？
这是由于 uint32_t 与 int32_t 运算时，结果会自动变成 uint32_t ，也就是说，第一个 if 虽然在数学上 s32_num > u32_num ，但是计算机在比较的时候第二个数隐式转换成了 uint32_t ，按照二进制补码，-1 就是 0xFFFF FFFF ，转换成十进制就是 4,294,967,295，显然这么大的数比 10 大的多，因此计算机认为第一个 if 条件为真。
同样的 uint32_t 与 int32_t 相减的结果也是无符号数，因此第二个 if 在计算机看来是 4294967285 > 0 ，而非 -11 > 0 。
上面的类型如果换成 uint16_t, int16_t ，你会发现结果又对了。这是由于隐式类型转换是有顺序的， char, short 等低类型会被转换成 int 高类型，优先级如下：
char, short --> int --> unsigned --> long --> double <-- float