知识点

C数据类型与大小

8 分钟阅读

定义

C的每个对象在编译时就有确定的类型，类型决定三件事：占多少个字节、这串位按什么规则解释、能做哪些运算。变量必须先声明类型再使用。

char、short、int、long、long long是整数类型，float、double是浮点类型，size_t是无符号整数类型，void * 是指针类型。标准只保证大小顺序，不规定具体位数：sizeof(char) 恒为1，且sizeof(char) <= sizeof(short) <= sizeof(int) <= sizeof(long) <= sizeof(long long)。具体的位数由平台ABI决定。32位和Windows 64位（ILP32 / LLP64）中long是4字节，Linux与macOS的64位（LP64）中long是8字节。

常见取值如下。大小一列以常见平台为准，写代码时应使用sizeof而不是记住具体数字。

类型	常见大小	有符号范围	说明
`char`	1 byte	$-128\sim 127$	至少8位；是否有符号由实现决定
`short`	2 bytes	$-32768\sim 32767$
`int`	4 bytes	$-2^{31}\sim 2^{31}-1$	约 $\pm 21$ 亿
`long`	4或8 bytes	随平台	Windows 64位为4，Linux/macOS 64位为8
`long long`	8 bytes	$-2^{63}\sim 2^{63}-1$	约 $\pm 9\times 10^{18}$
`float`	4 bytes	约 $6\sim 7$ 位有效数字	单精度
`double`	8 bytes	约 $15\sim 16$ 位有效数字	双精度
`size_t`	4或8 bytes	无符号	`sizeof`的返回类型
`void *`	4或8 bytes	无符号	指针的字节宽度

整数在内存中用补码表示，负数编码与范围见补码与带符号整数运算；浮点数的字段划分与精度见浮点数与IEEE 754。

普通char是否有符号取决于编译器和平台，需要明确范围时应写signed char或unsigned char，不要依赖char的符号性。

性质

溢出与回绕

无符号整数按 $2^n$ 取模回绕，这是有定义的行为：unsigned char的 $255$ 加 $1$ 得到 $0$ 。

有符号整数的溢出在标准中是未定义行为，编译器可以假设它不发生，并据此优化代码。典型实现会按补码回绕，例如int的最大值加 $1$ 得到最小值，但这不能依赖，也不能作为判断溢出的手段。检查有符号加法是否溢出，要在运算前比较：

if (a > INT_MAX - b) { /* a + b会溢出 */ }

整数除法向零截断

两个整数相除，结果仍是整数，小数部分直接丢弃，并且是向零截断而不是向下取整：

表达式	C的结果	Python的对应结果
`5 / 2`	`2`	`2.5`（`5 // 2`为`2`）
`-5 / 2`	`-2`	`-3`（`//` 为 `-3`）
`-5 % 2`	`-1`	`1`

% 的符号随被除数，这是C与Python最容易对不上的地方。要做浮点除法，两个操作数中至少一个必须是浮点类型，例如5 / 2.0。

字面量的进制与前缀

整型字面量的前缀决定它的值：以0开头是八进制，以0x开头是十六进制，十进制没有前缀。

字面量	十进制值
`10`	10
`010`	8
`0x10`	16
`0b1010`	10（C23起，编译器通常作为扩展支持）

无符号类型用 %u输出，各类型对应的格式符单独整理在C格式化输入输出。

`sizeof`的性质

sizeof是编译期运算符，返回size_t（无符号），打印时要配 %zu。

sizeof(char) 恒为1，C中的“1字节”就是char的大小。
sizeof的操作数不会被求值，sizeof(i++) 不会让i自增；变长数组是例外。
sizeof(数组名) 得到整个数组的字节数，sizeof(指针) 得到指针本身的字节数，两者含义不同。

与Python的差异

方面	C	Python
整数宽度	由类型定宽，越界即溢出	任意精度，不会溢出
整数除法	`/` 仍得整数，向零截断	`/` 得浮点数，`//` 向下取整
取模符号	随被除数，`-5 % 2`为 `-1`	随除数，`-5 % 2`为`1`
类型声明	先声明类型	动态类型
字符与字符串	`char`是1字节整数	`str`是Unicode序列，没有单字节字符类型

例子

打印各类型的大小

1
#include <stdio.h>
2

3
int main(void) {
4
    printf("char=%zu short=%zu int=%zu long=%zu\n",
5
           sizeof(char), sizeof(short), sizeof(int), sizeof(long));
6
    printf("long long=%zu float=%zu double=%zu\n",
7
           sizeof(long long), sizeof(float), sizeof(double));
8
    printf("size_t=%zu pointer=%zu\n", sizeof(size_t), sizeof(void *));
9
    return 0;
10
}

在LP64平台上输出char=1 short=2 int=4 long=8、long long=8 float=4 double=8、size_t=8 pointer=8；在Windows 64位（LLP64）上long是4。

无符号回绕与有符号溢出

1
#include <stdio.h>
2
#include <limits.h>
3

4
int main(void) {
5
    unsigned int u = 0;
6
    u = u - 1;                 /* 有定义：回绕成UINT_MAX */
7
    printf("%u\n", u);
8

9
    int x = INT_MAX;
10
    printf("%d\n", x);         /* 再加1是未定义行为，不能依赖结果 */
11
    return 0;
12
}

第一行输出4294967295（32位unsigned int）。第二处只打印最大值，故意不做 $+1$ ：一旦溢出，标准不再保证结果。

整数除法的两种语言结果

1
#include <stdio.h>
2

3
int main(void) {
4
    printf("%d %d %d\n", 5 / 2, -5 / 2, -5 % 2);   /* 2 -2 -1 */
5
    return 0;
6
}

同样的值在Python里写5 // 2、-5 // 2、-5 % 2，得到2、-3、1。两个语言对“商”的定义不同，做题时按各自语言的规则计算。

探索

同为64位平台，`long`一定占八字节吗？

比较两个常见数据模型中的类型大小。

正在准备演示…

题集

练习

sizeof(char) 的值是。
参考解答
C标准规定sizeof(char) 恒为1，“1字节”就是char的大小。
整型字面量010作为数值是。
参考解答
以0开头表示八进制，010即 $1\times 8+0=8$ 。
在32位int的平台上，-5 / 2的值是，-5 % 2的值是。
参考解答
整数除法向零截断，商的整数部分是 $-2$ ；余数的符号随被除数，所以是 $-1$ 。
size_t类型的值应该用哪个格式符输出？
选择答案
A
%zu
B
%d
C
%u
D
%lu
参考解答
size_t是无符号类型，%zu是它对应的长度修饰符与格式符组合；写 %d在64位平台上会读错字节。
关于C的整数溢出，下列说法正确的是：
题 overflow-statements · choice
A
无符号整数溢出按 $2^n$ 取模回绕，是有定义的行为
B
有符号整数溢出是未定义行为
C
改用long就不会溢出
D
同样宽度的无符号与有符号类型编码个数相同，只是把负数区间换成了更大的正数区间
参考解答
无符号运算按模 $2^n$ 定义，有符号溢出不在标准保证范围内。换成long只改变位宽，输入足够大时仍会溢出。8位为例，有符号是 $-128\sim 127$ ，无符号是 $0\sim 255$ ，个数同为256。