C02 信息存储与运算

计算机内存

信息存储概述

使用程序进行开发时，需要存储各种信息，这时候就需要用到变量。由于信息类型不同，变量的类型也因此不尽相同。

同时，信息的存储除了用来记录信息之外，还会进行各种运算，因此这些运算就需要用到各种运算符。

内存

计算机内存可以分为物理内存和虚拟内存：

物理内存：高速主存储器
虚拟内存：解决两个问题：1、程序暂停，线程驻留在主存储器中，可以把该进程转移到虚拟存储器中，提高主存储器的使用效率；2，需要加载的程序比较大，物理内存容量不足。

Windows虚拟内存称为：虚拟内存。Unix系统中称为：（swap）交换空间。

内存管理

每个程序都希望程序代码和数据能够更多的加载到内存，这样可以提高计算机运行效率。

但是计算机都是多任务系统，他需要对每个程序进行内存分配，这就涉及到操作系统对内存的管理。

常见的内存空间分配方式有以下三种：

分配方式	说明	特点
分页式管理	内存被拆分成固定大小的存储单位，每个单位4KB。程序申请使用内存时，按照4KB的倍数分配，分配区域不连续，随机分配。	1. 页面长度固定，分配方式简单，内存利用率高。 2. 对一个程序来说，同一个逻辑模块可能被拆分为许多个页面，不利于信息保护和功能共享。 3. 程序在虚拟内存和物理内存之间转移，按照4KB大小存储单位进行转移。
分段式管理	分段式管理主要依据程序的逻辑结构进行分段。程序逻辑结构一般分为主程序段和子程序段，主程序段必须在物理内存中运行，系统按照程序段的大小分配内存空间。段内的数据是连续的，虚拟内存和物理内存之间的转移以段为单位进行转移。	1. 段的长度不固定，分配空间时可能产生内存碎片，导致内存利用率不足。 2. 对一个程序来说，同一个逻辑模块连续存放，不仅提高了执行效率，也便于信息的保护和功能共享。
段页式管理	大多数计算机结合了分页式存储和分段式管理的优点，采用段页式的管理。	1. 先将程序按逻辑模块分段，每个段再进行分页，信息传递以页为单位。 2. 建立相关联的段表、页表，用来定位程序段、段内各业的存储地址。 3. 通过分段提高了程序执行效率，通过分页改善了内存空间的利用率。

常量和变量

C语言基本元素

1. 符号集（字符集）

C语言基本字符集分为源字符集（书写C语言源文件所用的字符集）和执行字符集（C语言程序执行期间解释的字符集）。

源字符集包括大小写字母（52）、数字（10）、格式符（4）、特殊字符（29）。

执行字符集在源字符集的基础上还包括null字符（用做字符串终止符）、警报（alert）、退格（backspace）、回车（carriage return）。为了在字母和字符串中表示这些字符，输入反斜杠\加对应的转义序列（escape sequence）即可，例如，\0表示 null 字符（空字符），\a表示警报，\b表示退格，而\r表示回车。

源字符集中，格式符包括：空格、水平制表符（HT）、垂直制表符（VT）、换页符（FF）。特殊字符如下29个：

! " # % & ' ( ) * + , － . / : ;

< = > ? [ \ ] ^ _ { | } ~

2. 关键字

也称为保留字，是C语言中具有特定含义，专门用作语言特定成分的一类标识符。ANSI标准定义32个关键字。

非常见：auto、register、volatile、goto。

存储相关：const、extern、register、volatile、static、auto、signed、unsigned。

数据类型：char、short、int、float、long、double、struct、union、enum、void。

逻辑控制：if、else、for、while、do、break、continue、return、default、switch、case、goto。

特殊用途：sizeof、typedef

注意：我们定义的标识符不能是关键字；所有关键字小写。

3. 标识符

用来标记常量、变量、函数及文件名字的一串字符。（不包括关键字）。

标识符命名规则：

1) 以字母（大小写都可以）或下划线开头；

2) 后可跟若干个（包括0个）字母、数字、下划线；

3) 标识符的长度在各种编译器和系统有所不同，建议不超过8个字符；

4) 标识符与关键字不能相同。

问题？以下那些是合法的标识符，哪些是非法的？

x	y3	_imax	ELSE	X	A_to_B
7x	int	#NO	bad one	re-input	aaaabbbbccc

常量和变量

程序所操作的信息需要存储在内存中，所以需要定义常量和变量，常量和变量保存所需操作的信息。

1. 常量

常量：指在程序运行过程中，其值不变的量。在程序中不必对常量进行任何说明就可以使用。

例如：人的性别，一生下来就确定，不可以修改，即常量。

2. 变量

变量：指在程序运行过程中，其值可以被改变的量。

例如：人的姓名，或者小名，可以改变，即变量。

对于C语言来说，变量的值=该存储空间里的数据和信息。

变量的定义

语法规则：

数据类型标识符1 [，标识符2，…标识符N ] ；

例如：

int a;

　　char b,c;

命名规则：与标识符命名规则一致。

3. 常量与变量命名规范

1) 区分大小写

2) 命名要见名知意

3) 先定义后使用

4) 符号常量名用大写，变量小写

4. 变量的赋值

1) 定义变量时初始化变量值

数据类型变量名=初始值；

2) 先定义变量，然后为变量赋值

数据类型变量名；

变量名=初始值；

5. 变量的输入和输出

scanf(“%d”,&a);

printf(“%d”,a);

6. 变量的使用

变量类型决定了变量在内存中的地址分配；变量名即变量在内存中的地址。

数据类型

C语言数据类型

c语言类型主要分为四类：

序号	类型与描述
1	基本类型：它们是算术类型，包括两种类型：整数类型和浮点类型。
2	枚举类型：它们也是算术类型，被用来定义在程序中只能赋予其一定的离散整数值的变量。
3	void 类型：类型说明符 void 表明没有可用的值。
4	派生类型：它们包括：指针类型、数组类型、结构类型、共用体类型和函数类型。

基本类型

基本类型数据如下：

类型	存储大小	值范围
char	1 字节	-128 到 127 或 0 到 255
unsigned char	1 字节	0 到 255
signed char	1 字节	-128 到 127
int	2 或 4 字节	-32,768 到 32,767 或 -2,147,483,648 到 2,147,483,647
unsigned int	2 或 4 字节	0 到 65,535 或 0 到 4,294,967,295
short	2 字节	-32,768 到 32,767
unsigned short	2 字节	0 到 65,535
long	4 字节	-2,147,483,648 到 2,147,483,647
unsigned long	4 字节	0 到 4,294,967,295

1. 字符型数据

字符常量：用单引号包含的一个字符，只能包含一个字符。

例如：

‘a’ ‘A’ ‘$’

转义字符：特殊的常量字符，详细参考第一章介绍。

字符变量：字符型变量用来存放字符常量，只能存放一个字符。一个字符变量在内存中占用一个字节。

字符变量的定义和赋值：字符变量的赋值可以是直接赋值字符常量，或者整数（整数必须在ASCII表示范围内）。如下示例所示：

字符数据在内存中的存储

2. 整型数据

整型的存储大小与系统位数有关，int数据类型的数值范围与系统有关，16、32、64位系统对应默认整型数据的长度分别是16、32、64位。但目前通用的以64位系统为主。以下列出了32位系统与64位系统的存储大小的差别（windows 相同）：

使用 sizeof 运算符判断具体平台的存储大小。表达式：sizeof(type) 得到对象或类型的存储字节大小。如下示例示例：

其中，%lu 为 32 位无符号整数。

整型变量在内存中的表示：以十进制数13示例示例。

如何表示负数？C语言中负数是以补码的形式进行存储的。计算机中的符号数有三种表示方法，即原码、反码和补码。三种表示方法均有符号位和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位，三种表示方法各不相同：正整数的补码是其二进制表示，与原码相同；负整数的补码，将其对应正数二进制表示所有位取反（包括符号位，0变1，1变0）后加1。

<<参考计算机补码及运算>>

3. 浮点类型

类型	存储大小	值范围	精度
float	4 字节	1.2E-38 到 3.4E+38	6 位小数
double	8 字节	2.3E-308 到 1.7E+308	15 位小数
long double	16 字节	3.4E-4932 到 1.1E+4932	19 位小数

头文件 float.h 定义了宏，在程序中可以使用这些值和其他有关实数二进制表示的细节。下面的实例将输出浮点类型占用的存储空间以及它的范围值：

%E 为以指数形式输出单、双精度实数。

void类型

void 类型指定没有可用的值。它通常用于以下三种情况下：

序号	类型与描述
1	函数返回为空 C 中有各种函数都不返回值，或者您可以说它们返回空。不返回值的函数的返回类型为空。例如 void exit (int status);
2	函数参数为空 C 中有各种函数不接受任何参数。不带参数的函数可以接受一个 void。例如 int rand(void);
3	指针指向 void 类型为 void * 的指针代表对象的地址，而不是类型。例如，内存分配函数 void *malloc( size_t size ); 返回指向 void 的指针，可以转换为任何数据类型。

运算符

运算符是一种告诉编译器执行特定的数学或逻辑操作的符号。C 语言内置了丰富的运算符，并提供了以下类型的运算符：

算术运算符

下表显示了 C 语言支持的所有算术运算符。假设变量 A 的值为 10，变量 B 的值为 20，则：

运算符	描述	实例
+	把两个操作数相加	A + B 将得到 30
-	从第一个操作数中减去第二个操作数	A - B 将得到 -10
*	把两个操作数相乘	A * B 将得到 200
/	分子除以分母	B / A 将得到 2
%	取模运算符，整除后的余数	B % A 将得到 0
++	自增运算符，整数值增加 1	A++ 将得到 11
--	自减运算符，整数值减少 1	A-- 将得到 9

关系运算符

下表显示了 C 语言支持的所有关系运算符。假设变量 A 的值为 10，变量 B 的值为 20，则：

运算符	描述	实例
==	检查两个操作数的值是否相等，如果相等则条件为真。	(A == B) 不为真
!=	检查两个操作数的值是否相等，如果不相等则条件为真。	(A != B) 为真
>	检查左操作数的值是否大于右操作数的值，如果是则条件为真。	(A > B) 不为真
<	检查左操作数的值是否小于右操作数的值，如果是则条件为真。	(A < B) 为真
>=	检查左操作数的值是否大于或等于右操作数的值，如果是则条件为真。	(A >= B) 不为真
<=	检查左操作数的值是否小于或等于右操作数的值，如果是则条件为真。	(A <= B) 为真

关于布尔值类型：

c语言使用整数0存储假，1存储真。没有bool类型。

在vc6.0中，写c代码可以定义bool类型数据，原因是使用的是C++中的bool类型。一般开发环境都支持c++和c，所有要注意区分。

例如：

bool flag=true;

bool result=false;

逻辑运算符

下表显示了 C 语言支持的所有关系逻辑运算符。假设变量 A 的值为 1，变量 B 的值为 0，则：

运算符	描述	实例
&&	称为逻辑与运算符。如果两个操作数都非零，则条件为真。	(A && B) 为假。
\|\|	称为逻辑或运算符。如果两个操作数中有任意一个非零，则条件为真。	(A \|\| B) 为真。
!	称为逻辑非运算符。用来逆转操作数的逻辑状态。如果条件为真则逻辑非运算符将使其为假。	!(A && B) 为真。

逻辑运算符&&和||存在短路运算，示例如下：

int main()

{

int a=10;

int b=11;

int c=0;

if(a==b&&c++){

}

printf("%d",c);

return 0;

}

或者

int main()

{

int a=10;

int b=10;

int c=0;

if(a==b||c++){

}

printf("%d",c);

return 0;

}

以上代码各输出c的结果是？（输出为：0）

位运算符

假设如果 A = 60，且 B = 13，现在以二进制格式表示，它们如下所示：

A = 0011 1100

B = 0000 1101

-----------------

A&B = 0000 1100

A|B = 0011 1101

A^B = 0011 0001

~A = 1100 0011

位运算符作用于二进制位，并逐位执行操作。&、 | 和 ^ 的真值表如下所示：

运算符	描述	实例
&	按位与操作，按二进制位进行"与"运算。运算规则： 0&0=0; 0&1=0; 1&0=0; 1&1=1;	(A & B) 将得到 12，即为 0000 1100
\|	按位或运算符，按二进制位进行"或"运算。运算规则： 0\|0=0; 0\|1=1; 1\|0=1; 1\|1=1;	(A \| B) 将得到 61，即为 0011 1101
^	异或运算符，按二进制位进行"异或"运算。运算规则： 0^0=0; 0^1=1; 1^0=1; 1^1=0;	(A ^ B) 将得到 49，即为 0011 0001
~	取反运算符，按二进制位进行"取反"运算。运算规则： ~1=0; ~0=1;	(~A ) 将得到 -61，即为 1100 0011，一个有符号二进制数的补码形式。
<<	二进制左移运算符。将一个运算对象的各二进制位全部左移若干位（左边的二进制位丢弃，右边补0）。	A << 2 将得到 240，即为 1111 0000
>>	二进制右移运算符。将一个数的各二进制位全部右移若干位，正数左补0，负数左补1，右边丢弃。	A >> 2 将得到 15，即为 0000 1111

示例代码：

#include <stdio.h>

int main()

{

unsigned int a = 60; /* 60 = 0011 1100 */

unsigned int b = 13; /* 13 = 0000 1101 */

int c = 0;

c = a & b; /* 12 = 0000 1100 */

printf("Line 1 - c 的值是 %d\n", c );

c = a | b; /* 61 = 0011 1101 */

printf("Line 2 - c 的值是 %d\n", c );

c = a ^ b; /* 49 = 0011 0001 */

printf("Line 3 - c 的值是 %d\n", c );

c = ~a; /*-61 = 1100 0011 */

printf("Line 4 - c 的值是 %d\n", c );

c = a << 2; /* 240 = 1111 0000 */

printf("Line 5 - c 的值是 %d\n", c );

c = a >> 2; /* 15 = 0000 1111 */

printf("Line 6 - c 的值是 %d\n", c );

}

输出结果

赋值运算符

下表列出了 C 语言支持的赋值运算符：

运算符	描述	实例
=	简单的赋值运算符，把右边操作数的值赋给左边操作数	C = A + B 将把 A + B 的值赋给 C
+=	加且赋值运算符，把右边操作数加上左边操作数的结果赋值给左边操作数	C += A 相当于 C = C + A
-=	减且赋值运算符，把左边操作数减去右边操作数的结果赋值给左边操作数	C -= A 相当于 C = C - A
*=	乘且赋值运算符，把右边操作数乘以左边操作数的结果赋值给左边操作数	C = A 相当于 C = C A
/=	除且赋值运算符，把左边操作数除以右边操作数的结果赋值给左边操作数	C /= A 相当于 C = C / A
%=	求模且赋值运算符，求两个操作数的模赋值给左边操作数	C %= A 相当于 C = C % A
<<=	左移且赋值运算符	C <<= 2 等同于 C = C << 2
>>=	右移且赋值运算符	C >>= 2 等同于 C = C >> 2
&=	按位与且赋值运算符	C &= 2 等同于 C = C & 2
^=	按位异或且赋值运算符	C ^= 2 等同于 C = C ^ 2
\|=	按位或且赋值运算符	C \|= 2 等同于 C = C \| 2

杂项运算符

下表列出了 C 语言支持的其他一些重要的运算符，包括 sizeof 和 ? :。

运算符	描述	实例
sizeof()	返回变量的大小。	sizeof(a) 将返回 4，其中 a 是整数。
&	返回变量的地址。	&a; 将给出变量的实际地址。
*	指向一个变量。	*a; 将指向一个变量。
? :	条件表达式	如果条件为真 ? 则值为 X : 否则值为 Y

示例代码：

#include <stdio.h>

int main()

{

   int a = 4;

   short b;

   double c;

   int* ptr;

   /* sizeof 运算符实例 */

   printf("Line 1 - 变量 a 的大小 = %lu\n", sizeof(a) );

   printf("Line 2 - 变量 b 的大小 = %lu\n", sizeof(b) );

   printf("Line 3 - 变量 c 的大小 = %lu\n", sizeof(c) );

   /* & 和 * 运算符实例 */

   ptr = &a;    /* 'ptr' 现在包含 'a' 的地址 */

   printf("a 的值是 %d\n", a);

   printf("*ptr 是 %d\n", *ptr);

   /* 三元运算符实例 */

   a = 10;

   b = (a == 1) ? 20: 30;

   printf( "b 的值是 %d\n", b );

   b = (a == 10) ? 20: 30;

   printf( "b 的值是 %d\n", b );

}

输出结果：

运算符优先级

运算符的优先级确定表达式中项的组合。这会影响到一个表达式如何计算。某些运算符比其他运算符有更高的优先级，例如，乘除运算符具有比加减运算符更高的优先级。

例如 x = 7 + 3 * 2，在这里，x 被赋值为 13，而不是 20，因为运算符 * 具有比 + 更高的优先级，所以首先计算乘法 3*2，然后再加上 7。

下表将按运算符优先级从高到低列出各个运算符，具有较高优先级的运算符出现在表格的上面，具有较低优先级的运算符出现在表格的下面。在表达式中，较高优先级的运算符会优先被计算。

类别	运算符	结合性
后缀	() [] -> . ++ - -	从左到右
一元	+ - ! ~ ++ - - (type)* & sizeof	从右到左
乘除	* / %	从左到右
加减	+ -	从左到右
移位	<< >>	从左到右
关系	< <= > >=	从左到右
相等	== !=	从左到右
位与 AND	&	从左到右
位异或 XOR	^	从左到右
位或 OR	\|	从左到右
逻辑与 AND	&&	从左到右
逻辑或 OR	\|\|	从左到右
条件	?:	从右到左
赋值	= += -= *= /= %=>>= <<= &= ^= \|=	从右到左
逗号	,	从左到右