c语言基础知识————变量

零.前言

这两天帮忙给实验室公众号写一篇推文，主要面向大一的萌新。所以重新回顾了一下c语言中关于变量的知识。
主要内容
1. 变量的三要素
2. 进制转换，原码，补码
3. 整形的溢出，浮点型的精度丢失问题
4. 初识指针
5. 自动类型转换和强制类型转换

一.引入

a=3;

• 什么是常量，什么是变量，什么是运算符，什么表达式。

  • 上面这个语句中，‘3’是常量。 ‘=’是运算符。‘a’是变量。而’a=3’这个完整的就是一个表达式。
  • 上面整个表达式的含义：就是将常量‘3’赋值给‘a’这个变量。
• 我们今天主要来谈谈变量，就是‘a’

二.变量

1. 变量是什么

• 那么变量究竟是什么呢？一个字母‘a’为什么就成为了变量呢？
  
  • 变量就是内存设备里一段连续的存储空间（类似于一个盒子，用来存储数据）。
  • 目前，严格来说，‘a’目前还算不是一个变量。因为它没有经过变量三要素的洗礼。

2. 变量的三要素

int a;

• 上面这个语句，就包含变量的三要素。
  
  • int 变量类型。
  • a 变量名 。
  • int a;变量的定义。

• 让我们一个一个来解释

  1. 变量的类型

     • 简单来说，变量是类型就是盒子的种类。
     • 为什么变量要有不同的类型呢？
     • 在计算机里，所有的存储数据都是0/1。而且存储的资源也是有限的。为了存储不同种类（整数，实数，字符），不同大小的数据，人们将数据人为分为不同的数据类型。并且对每种类型规定了所占用内存空间的大小，以及数据和0/1之间的转换方式。
     • 那么对于变量而言，它的类型到底意味着什么呢
     • 变量的类型两个作用
       
       1. 说明变量所要占用的内存空间的大小(申请多大的空间)，
       2. 数据和0/1之间的转换方式(如何存储数据和解释数据的标准)
     • 那我们来看看，c语言中它的常用变量类型都有那些？
       

  2. 变量名

     • 就是‘a’。a其实是对刚申请的内存空间起的一个名字。为了和其他变量区分的标志。

     • 但是呢，起名也有一定的规定，不可以随意起名

       1.只能以英文字母、下划线( _ )、美元符号( )开头。后面可以接数字、英文字母、下划线和美元符号( ) 开 头 。 后 面 可 以 接 数 字 、 英 文 字 母 、 下 划 线 和 美 元 符 号 ( )
       2.不能是C语言中的关键字

     • 上面的是必须要做到，下面的则是一些建议

       1.变量名最好做到见名知义的程度
       2.变量名不要和函数名一样

  3. 变量的定义。

     • int a;这就是一个完整的变量定义语句。
     • 那么，它代表什么含义呢呢？
     • 它表示：申请一段内存大小为4字节的存储空间，其中数据的存储方式和解释为补码，并将段内存空间起名为a

3. 一点思考

1. 为什么整形变量会存在溢出现象呢？

   溢出：
   int a= 2147483647
   int b = a+1;
   
   最终 b = -2147483648

2. 为什么浮点型变量会有精度的丢失现象呢？

   float a = 12.0f;
   float b = 11.9;
   float c = a - b;
   
   最终c=0.1000003815

三.深入了解变量

1. 预先了解，十进制转换为二进制，原码，补码。

1. 十进制正整数如果转换为二进制

   • 规则

     除二取余，倒序排列
     解释：将一个十进制数除以二，得到的商再除以二，依此类推直到商等于一或零时为止，倒取将除得的余数，即换算为二进制数的结果

   • 举例
     

   52(10)=110100(2进制)

2. 十进制小数如果转换为二进制

   • 规则

     乘二取整，正序排列
     解释：对被转换的小数乘以2，取其整数部分(0或1)作为二进制小数部分，取其小数部分，再乘以2，又取其整数部分作为二进制小数部分，然后取小数部分，再乘以2，直到小数部分为0或者已经去到了足够位数。每次取的整数部分，按先后次序排列，就构成了二进制小数的序列

   • 举例
     

3. 原码

   • 规则

     当数据为正数时：最高位为0，表示正数，其余位表示数据
     当数据为负数时：最高为位1，表示负数，其余位表示数据

   • 举例

     用8字节表示52和-52的原码
     52：00110100(原)
     -52:10110100(原)

   • 说明

     • 虽然原码简单易懂，但是它存在一些问题，所以计算机中的数据存储并没有采用原码来表示
     • 第一个问题：正0 负0，按照原码的规则既是正数也是负数的0存在两种书写方式即：00000000和10000000
     • 第二个问题，无法进行正负数之间的运算，将-52和52之间转换后的原码进行加法运算，结果并不等于0

4. 补码

   • 规则

     当数据为正数时：补码 = 原码
     当数据为负数时：原码最高位不变(1),其余位按位取反，末尾加1

   • 举例

     用8字节表示52和-52的原码
     52：00110100(原) ~ 00110100(补)
     -52:10110100(原) ~ 11001011（取反）~ 11001100(补)

   • 说明

     • 补码解决了原码的两个问题。
     • 补码就是c语言中的整形在内存中的数据的储存方式

2. 了解为什么整形变量的表示会发生溢出

1. 先计算int的表示范围
   
   • int占用4b的内存，就是32位。
   • 那么32位表示正数最大值为：01111111 11111111 11111111 11111111() = 2147483647
   • 32表示负数最大值为：10000000 00000000 00000000 00000000 = -2147483648
2. 为什么会溢出呢
   
   • 2147483647 + 1 = 01111111 11111111 11111111 11111111+1=10000000 00000000 00000000 00000000 = -2147483648

3. 了解为什么浮点型变量会有精度丢失

12-11.9=?
* 将11.9化为二进制为“1011. 1110011001100110011001100…”，可以看出11.9转换为二进制是一个无穷的小数，按照浮点数的存储形式(IEEE754)的时候需要舍弃一些二进制。所以在计算机中永远无法准确存储11.9这个数字。所以计算时会产生误差。
* 扩展，如果有兴趣，可以具体了解一下IEEE754是如何规定浮点数的存储的。

四.初探指针。

1.重新看一遍变量究竟是什么？

• 之前说过变量是内存设备里一段连续的存储空间，对于内存设备中存储空间我们并没有做过多的介绍。那么我们现在简单说一下它的两个特性
  
  1. 存储空间是连续的，一维线性的
  2. 存储空间出厂时，每一个存储单位都有一个编号（0~2^32），这个编号就是这个存储单位的地址。

2.指针究竟是什么呢

int *p;

• p就是一个int型指针变量。
• 看指针和变量的定义很像，那么指针和变量有什么关系呢？
  
  • 指针就是一个变量，不过不同于一般的变量，指针变量所占用的空间都是4字节，所存储的是变量的地址。
• 那么指针前面的类型有什么作用呢？
  
  • 指针前面的作用如下
    
    • p+1时指针所跳跃的字节大小=指针类型的大小
    • 读取p所指向的变量的数据时，所读取的内存大小和数据的解释方式都要依靠指针的类型。

五.不同数据类型间的类型转换

• 数据类型之间的转换分为自动类型转换和强制类型转换。顾名思义，前者是编译器自动完成的，后者是程序员强制将数据类型进行转换。

1.自动类型转换。

1. 出现场景
   同一句语句或表达式如果使用了多种类型的变量和常量（类型混用）
2. 规则
   

   double ←── float 高
   ↑
   long
   ↑
   unsigned
   ↑
   int ←── char,short 低
   1.图中横向箭头表示必须的转换，如两个float型数参加运算，虽然它们类型相同，但仍要先转成double型再进行运算，结果亦为double型。纵向箭头表示当运算符两边的运
   2.算数为不同类型时的转换，如一个long 型数据与一个int型数据一起运算，需要先将int型数据转换为long型， 然后两者再进行运算，结果为long型。所有这些转换都是由系统自动
   进行的， 使用时你只需从中了解结果的类型即可。这些转换可以说是自动的。

3. 其他场景中出现自动类型转换

   1.在程序中将数据用printf函数以指定格式输出时，当要输出的盐据类型与输出格式不符时，便自动进行类型转换
   2.赋值表达式中，右边表达式的值自动隐式转换为左边变量的类型，并赋值给他。
   3.函数调用中参数传递时，系统隐式地将实参转换为形参的类型后，赋给形参。
   4.函数有返回值时，系统将隐式地将返回表达式类型转换为返回值类型，赋值给调用函数。

4. 举个栗子

1.例子1

#include 
int main(void)
{
    char a='1';
    int  b=-4;
    unsigned c=2;
    printf("%d %d %d \n",a,a+b,b+c);
    //结果为49 45 -2   
}

• 问题：b是int(整形) c是unsigned(无符号整形)。按照算术运算自动类型转换规则 b+c结果应该是一个unsigned类型。可是输出的结果是-2，明显不是无符号unsigned啊。难道是之前的规则写错了吗？还是输出写错了呢？
• 回答：嗯，规则没有错，输出也没有错。原因呢，是因为输出的时候又进行了一次类型转换。%d是输出整形的格式控制符。所以呢 b+c结果为无符号整形，但输出的时候因为控制输出符%d，所以又转换为整形 。如果需要转换为无符号整形，应该用%u.

2.例子2

int main(void)
{
    char a='1';
    int  b=-4;
    unsigned c=2;
    printf("%d %d %u \n",a,a+b,b+c);
    //结果为49 45 4294967294   
}

• 问题：那么你怎么证明，是因为b+c运算结果为无符号类型。还是%u将结果转换为无符号类型。
• 回答：真是很好的问题。如果算术运算和输出都会导致自动转换，这样子我们永远无法知道，是什么导致自动转换。所以我们要控制变量，不能用将结果输出查看自动转换的原因。那么该如果进行证明int+unsigned会转换成unsigned。继续来做下一个实验

3.例子3

int main(void)
{
    int  b=-4;
    unsigned c=2;
    if(b>c)
        printf("整形b-4大于无符号c2 \n");
    else
        printf("无符号c2大于整形b-4\n");   
    //结果：整形b-4大于无符号2
} 

• 问题：问题：好奇怪啊，-4居然比2大，为什么呢?
• 回答：
  
  • b=-4 = 10000000 00000000 00000000 00000100(原) = 11111111 11111111 11111111 11111100(补)；所以b中存的是上面这堆01码
  • c=2= 00000000 00000000 00000000 00000010(原) = 00000000 00000000 00000000 00000010(补):所以c中存的上面这堆01码
  • 运算b>c时，b是整形，c是无符号整形。所以将b转换为无符号整形。无符号整形最高位不表示符号位，也表示数据。所以b中存的11111111 11111111 11111111 11111100= 4294967292 c依然是无符号整形为2。
  • 4294967292>2为真，b>c表达式结果为1，执行printf(“整形b-4大于无符号c2 \n”);语句
  • 所以实际上不是-4>2。而是4294967292>2

2.强制类型转换

1. 出现场景：
   需要将一个表达式转换成指定类型。
2. 规则
   强制类型转换是通过类型转换运算来实现的。
   其一般形式为： (类型说明符) (表达式)
   其功能是把表达式的运算结果强制转换成类型说明符所表示的类型
3. 举个栗子

#include
int main (void)
{
    float b=3.1415;
    double a = (int)b;
    printf("a=%lf,b=%lf\n",a,b); 
    //结果 a=3.000000,b=3.141500
} 

• a=(int)b;先将b强制转换为int。即：(int)3。
• a为double类型。所以继续将(int)3自动转换为double类型(结果为：3.000000)
• 所以输出：结果 a=3.000000,b=3.141500
• 同时可以看出来b的类型并没有被改变。