C02 資訊儲存與運算
目錄
- 計算機記憶體
- 常量和變數
- 資料型別
- 運算子
- 計算機記憶體管理
計算機記憶體
資訊儲存概述
使用程式進行開發時，需要儲存各種資訊，這時候就需要用到變數。由於資訊型別不同，變數的型別也因此不盡相同。
同時，資訊的儲存除了用來記錄資訊之外，還會進行各種運算，因此這些運算就需要用到各種運算子。
記憶體
計算機記憶體可以分為實體記憶體和虛擬記憶體：
- 實體記憶體：高速主儲存器
- 虛擬記憶體：解決兩個問題：1、程式暫停，執行緒駐留在主儲存器中，可以把該程序轉移到虛擬儲存器中，提高主儲存器的使用效率；2，需要載入的程式比較大，實體記憶體容量不足。
Windows虛擬記憶體稱為：虛擬記憶體。Unix系統中稱為：（swap）交換空間。
記憶體管理
每個程式都希望程式程式碼和資料能夠更多的載入到記憶體，這樣可以提高計算機執行效率。
但是計算機都是多工系統，他需要對每個程式進行記憶體分配，這就涉及到作業系統對記憶體的管理。
常見的記憶體空間分配方式有以下三種：
| 分配方式 |
說明 |
特點 |
| 分頁式管理 |
記憶體被拆分成固定大小的儲存單位，每個單位4KB。程式申請使用記憶體時，按照4KB的倍數分配，分配區域不連續，隨機分配。 |
1. 頁面長度固定，分配方式簡單，記憶體利用率高。 2. 對一個程式來說，同一個邏輯模組可能被拆分為許多個頁面，不利於資訊保護和功能共享。 3. 程式在虛擬記憶體和實體記憶體之間轉移，按照4KB大小儲存單位進行轉移。 |
| 分段式管理 |
分段式管理主要依據程式的邏輯結構進行分段。程式邏輯結構一般分為主程式段和子程式段，主程式段必須在實體記憶體中執行，系統按照程式段的大小分配記憶體空間。段內的資料是連續的，虛擬記憶體和實體記憶體之間的轉移以段為單位進行轉移。 |
1. 段的長度不固定，分配空間時可能產生記憶體碎片，導致記憶體利用率不足。 2. 對一個程式來說，同一個邏輯模組連續存放，不僅提高了執行效率，也便於資訊的保護和功能共享。 |
| 段頁式管理 |
大多數計算機結合了分頁式儲存和分段式管理的優點，採用段頁式的管理。 |
1. 先將程式按邏輯模組分段，每個段再進行分頁，資訊傳遞以頁為單位。 2. 建立相關聯的段表、頁表，用來定位程式段、段內各業的儲存地址。 3. 通過分段提高了程式執行效率，通過分頁改善了記憶體空間的利用率。 |
常量和變數
C語言基本元素
1. 符號集（字符集）
C語言基本字符集分為源字符集（書寫C語言原始檔所用的字符集）和執行字符集（C語言程式執行期間解釋的字符集）。
源字符集包括大小寫字母（52）、數字（10）、格式符（4）、特殊字元（29）。
執行字符集在源字符集的基礎上還包括null字元（用做字串終止符）、警報（alert）、退格（backspace）、回車（carriage return）。為了在字母和字串中表示這些字元，輸入反斜槓\加對應的轉義序列（escape sequence）即可，例如，\0表示 null 字元（空字元），\a表示警報，\b表示退格，而\r表示回車。
源字符集中，格式符包括：空格、水平製表符（HT）、垂直製表符（VT）、換頁符（FF）。特殊字元如下29個：
| ! " # % & ' ( ) * + , － . / : ; < = > ? [ \ ] ^ _ { | } ~ |
2. 關鍵字
也稱為保留字，是C語言中具有特定含義，專門用作語言特定成分的一類識別符號。ANSI標準定義32個關鍵字。
非常見：auto、register、volatile、goto。
儲存相關：const、extern、register、volatile、static、auto、signed、unsigned。
資料型別：char、short、int、float、long、double、struct、union、enum、void。
邏輯控制：if、else、for、while、do、break、continue、return、default、switch、case、goto。
特殊用途：sizeof、typedef
注意： 我們定義的識別符號不能是關鍵字；所有關鍵字小寫。
3. 識別符號
用來標記常量、變數、函式及檔名字的一串字元。（不包括關鍵字）。
識別符號命名規則：
1) 以字母（大小寫都可以）或下劃線開頭；
2) 後可跟若干個（包括0個）字母、數字、下劃線；
3) 識別符號的長度在各種編譯器和系統有所不同，建議不超過8個字元；
4) 識別符號與關鍵字不能相同。
問題？以下那些是合法的識別符號，哪些是非法的？
| x |
y3 |
_imax |
ELSE |
X |
A_to_B |
| 7x |
int |
#NO |
bad one |
re-input |
aaaabbbbccc |
常量和變數
程式所操作的資訊需要儲存在記憶體中，所以需要定義常量和變數，常量和變數儲存所需操作的資訊。
1. 常量
常量：指在程式執行過程中，其值不變的量。在程式中不必對常量進行任何說明就可以使用。
例如：人的性別，一生下來就確定，不可以修改，即常量。
2. 變數
變數：指在程式執行過程中，其值可以被改變的量。
例如：人的姓名，或者小名，可以改變，即變數。
對於C語言來說，變數的值=該儲存空間裡的資料和資訊。
變數的定義
語法規則：
資料型別 識別符號1 [，識別符號2，…識別符號N ] ；
例如：
int a;
char b,c;
命名規則：與識別符號命名規則一致。
3. 常量與變數命名規範
1) 區分大小寫
2) 命名要見名知意
3) 先定義後使用
4) 符號常量名用大寫，變數小寫
4. 變數的賦值
1) 定義變數時初始化變數值
資料型別 變數名=初始值；
2) 先定義變數，然後為變數賦值
資料型別 變數名；
變數名=初始值；
5. 變數的輸入和輸出
| scanf(“%d”,&a); printf(“%d”,a); |
6. 變數的使用
變數型別決定了變數在記憶體中的地址分配；變數名即變數在記憶體中的地址。
資料型別
C語言資料型別
c語言型別主要分為四類：
| 序號 |
型別與描述 |
| 1 |
基本型別： |
| 2 |
列舉型別： |
| 3 |
void 型別： |
| 4 |
派生型別： |
基本型別
基本型別資料如下：
| 型別 |
儲存大小 |
值範圍 |
| char |
1 位元組 |
-128 到 127 或 0 到 255 |
| unsigned char |
1 位元組 |
0 到 255 |
| signed char |
1 位元組 |
-128 到 127 |
| int |
2 或 4 位元組 |
-32,768 到 32,767 或 -2,147,483,648 到 2,147,483,647 |
| unsigned int |
2 或 4 位元組 |
0 到 65,535 或 0 到 4,294,967,295 |
| short |
2 位元組 |
-32,768 到 32,767 |
| unsigned short |
2 位元組 |
0 到 65,535 |
| long |
4 位元組 |
-2,147,483,648 到 2,147,483,647 |
| unsigned long |
4 位元組 |
0 到 4,294,967,295 |
1. 字元型資料
字元常量：用單引號包含的一個字元，只能包含一個字元。
例如：
| ‘a’ ‘A’ ‘$’ |
轉義字元：特殊的常量字元，詳細參考第一章介紹。
字元變數：字元型變數用來存放字元常量，只能存放一個字元。一個字元變數在記憶體中佔用一個位元組。
字元變數的定義和賦值：字元變數的賦值可以是直接賦值字元常量，或者整數（整數必須在ASCII表示範圍內）。如下示例所示：
字元資料在記憶體中的儲存
2. 整型資料
整型的儲存大小與系統位數有關，int資料型別的數值範圍與系統有關，16、32、64位系統對應預設整型資料的長度分別是16、32、64位。但目前通用的以64位系統為主。以下列出了32位系統與64位系統的儲存大小的差別（windows 相同）：
使用 sizeof 運算子判斷具體平臺的儲存大小。表示式：sizeof(type) 得到物件或型別的儲存位元組大小。如下示例示例：
其中，%lu 為 32 位無符號整數。
整型變數在記憶體中的表示：以十進位制數13示例示例。
如何表示負數？C語言中負數是以補碼的形式進行儲存的。計算機中的符號數有三種表示方法，即原碼、反碼和補碼。三種表示方法均有符號位和數值位兩部分，符號位都是用0表示“正”，用1表示“負”，而數值位，三種表示方法各不相同：正整數的補碼是其二進位制表示，與原碼相同；負整數的補碼，將其對應正數二進位制表示所有位取反（包括符號位，0變1，1變0）後加1。
<<參考計算機補碼及運算>>
3. 浮點型別
| 型別 |
儲存大小 |
值範圍 |
精度 |
| float |
4 位元組 |
1.2E-38 到 3.4E+38 |
6 位小數 |
| double |
8 位元組 |
2.3E-308 到 1.7E+308 |
15 位小數 |
| long double |
16 位元組 |
3.4E-4932 到 1.1E+4932 |
19 位小數 |
標頭檔案 float.h 定義了巨集，在程式中可以使用這些值和其他有關實數二進位制表示的細節。下面的例項將輸出浮點型別佔用的儲存空間以及它的範圍值：
%E 為以指數形式輸出單、雙精度實數。
void型別
void 型別指定沒有可用的值。它通常用於以下三種情況下：
| 序號 |
型別與描述 |
| 1 |
函式返回為空 |
| 2 |
函式引數為空 |
| 3 |
指標指向 void |
運算子
運算子是一種告訴編譯器執行特定的數學或邏輯操作的符號。C 語言內建了豐富的運算子，並提供了以下型別的運算子：
算術運算子
下表顯示了 C 語言支援的所有算術運算子。假設變數 A 的值為 10，變數 B 的值為 20，則：
| 運算子 |
描述 |
例項 |
| + |
把兩個運算元相加 |
A + B 將得到 30 |
| - |
從第一個運算元中減去第二個運算元 |
A - B 將得到 -10 |
| * |
把兩個運算元相乘 |
A * B 將得到 200 |
| / |
分子除以分母 |
B / A 將得到 2 |
| % |
取模運算子，整除後的餘數 |
B % A 將得到 0 |
| ++ |
自增運算子，整數值增加 1 |
A++ 將得到 11 |
| -- |
自減運算子，整數值減少 1 |
A-- 將得到 9 |
關係運算符
下表顯示了 C 語言支援的所有關係運算符。假設變數 A 的值為 10，變數 B 的值為 20，則：
| 運算子 |
描述 |
例項 |
| == |
檢查兩個運算元的值是否相等，如果相等則條件為真。 |
(A == B) 不為真 |
| != |
檢查兩個運算元的值是否相等，如果不相等則條件為真。 |
(A != B) 為真 |
| > |
檢查左運算元的值是否大於右運算元的值，如果是則條件為真。 |
(A > B) 不為真 |
| < |
檢查左運算元的值是否小於右運算元的值，如果是則條件為真。 |
(A < B) 為真 |
| >= |
檢查左運算元的值是否大於或等於右運算元的值，如果是則條件為真。 |
(A >= B) 不為真 |
| <= |
檢查左運算元的值是否小於或等於右運算元的值，如果是則條件為真。 |
(A <= B) 為真 |
邏輯運算子
下表顯示了 C 語言支援的所有關係邏輯運算子。假設變數 A 的值為 1，變數 B 的值為 0，則：
| 運算子 |
描述 |
例項 |
| && |
稱為邏輯與運算子。如果兩個運算元都非零，則條件為真。 |
(A && B) 為假。 |
| || |
稱為邏輯或運算子。如果兩個運算元中有任意一個非零，則條件為真。 |
(A || B) 為真。 |
| ! |
稱為邏輯非運算子。用來逆轉運算元的邏輯狀態。如果條件為真則邏輯非運算子將使其為假。 |
!(A && B) 為真。 |
邏輯運算子&&和||存在短路運算，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; } |
以上程式碼各輸出c的結果是？（輸出為：0）
位運算子
假設如果 A = 60，且 B = 13，現在以二進位制格式表示，它們如下所示：
A = 0011 1100
B = 0000 1101
-----------------
A&B = 0000 1100
A|B = 0011 1101
A^B = 0011 0001
~A = 1100 0011
位運算子作用於二進位制位，並逐位執行操作。&、 | 和 ^ 的真值表如下所示：
| 運算子 |
描述 |
例項 |
| & |
按位與操作，按二進位制位進行"與"運算。運算規則： 0&0=0; 0&1=0; 1&0=0; 1&1=1; |
(A & B) 將得到 12，即為 0000 1100 |
| | |
按位或運算子，按二進位制位進行"或"運算。運算規則： 0|0=0; 0|1=1; 1|0=1; 1|1=1; |
(A | B) 將得到 61，即為 0011 1101 |
| ^ |
異或運算子，按二進位制位進行"異或"運算。運算規則： 0^0=0; 0^1=1; 1^0=1; 1^1=0; |
(A ^ B) 將得到 49，即為 0011 0001 |
| ~ |
取反運算子，按二進位制位進行"取反"運算。運算規則： ~1=0; ~0=1; |
(~A ) 將得到 -61，即為 1100 0011，一個有符號二進位制數的補碼形式。 |
| << |
二進位制左移運算子。將一個運算物件的各二進位制位全部左移若干位（左邊的二進位制位丟棄，右邊補0）。 |
A << 2 將得到 240，即為 1111 0000 |
| >> |
二進位制右移運算子。將一個數的各二進位制位全部右移若干位，正數左補0，負數左補1，右邊丟棄。 |
A >> 2 將得到 15，即為 0000 1111 |
示例程式碼：
| #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 ); } |
輸出結果
賦值運算子
下表列出了 C 語言支援的賦值運算子：
| 運算子 |
描述 |
例項 |
| = |
簡單的賦值運算子，把右邊運算元的值賦給左邊運算元 |
C = A + B 將把 A + B 的值賦給 C |
| += |
加且賦值運算子，把右邊運算元加上左邊運算元的結果賦值給左邊運算元 |
C += A 相當於 C = C + A |
| -= |
減且賦值運算子，把左邊運算元減去右邊運算元的結果賦值給左邊運算元 |
C -= A 相當於 C = C - A |
| *= |
乘且賦值運算子，把右邊運算元乘以左邊運算元的結果賦值給左邊運算元 |
C *= A 相當於 C = C * A |
| /= |
除且賦值運算子，把左邊運算元除以右邊運算元的結果賦值給左邊運算元 |
C /= A 相當於 C = C / A |
| %= |
求模且賦值運算子，求兩個運算元的模賦值給左邊運算元 |
C %= A 相當於 C = C % A |
| <<= |
左移且賦值運算子 |
C <<= 2 等同於 C = C << 2 |
| >>= |
右移且賦值運算子 |
C >>= 2 等同於 C = C >> 2 |
| &= |
按位與且賦值運算子 |
C &= 2 等同於 C = C & 2 |
| ^= |
按位異或且賦值運算子 |
C ^= 2 等同於 C = C ^ 2 |
| |= |
按位或且賦值運算子 |
C |= 2 等同於 C = C | 2 |
雜項運算子
下表列出了 C 語言支援的其他一些重要的運算子，包括 sizeof 和 ? :。
| 運算子 |
描述 |
例項 |
| sizeof() |
返回變數的大小。 |
sizeof(a) 將返回 4，其中 a 是整數。 |
| & |
返回變數的地址。 |
&a; 將給出變數的實際地址。 |
| * |
指向一個變數。 |
*a; 將指向一個變數。 |
| ? : |
條件表示式 |
如果條件為真 ? 則值為 X : 否則值為 Y |
示例程式碼：
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 4;
short b;
double c;
int* ptr;
/* sizeof 運算子例項 */
printf("Line 1 - 變數 a 的大小 = %lu\n", sizeof(a) );
printf("Line 2 - 變數 b 的大小 = %lu\n", sizeof(b) );
printf("Line 3 - 變數 c 的大小 = %lu\n", sizeof(c) );
/* & 和 * 運算子例項 */
ptr = &a; /* 'ptr' 現在包含 'a' 的地址 */
printf("a 的值是 %d\n", a);
printf("*ptr 是 %d\n", *ptr);
/* 三元運算子例項 */
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 );
}
輸出結果：
運算子優先順序
運算子的優先順序確定表示式中項的組合。這會影響到一個表示式如何計算。某些運算子比其他運算子有更高的優先順序，例如，乘除運算子具有比加減運算子更高的優先順序。
例如 x = 7 + 3 * 2，在這裡，x 被賦值為 13，而不是 20，因為運算子 * 具有比 + 更高的優先順序，所以首先計算乘法 3*2，然後再加上 7。
下表將按運算子優先順序從高到低列出各個運算子，具有較高優先順序的運算子出現在表格的上面，具有較低優先順序的運算子出現在表格的下面。在表示式中，較高優先順序的運算子會優先被計算。
| 類別 |
運算子 |
結合性 |
| 字尾 |
() [] -> . ++ - - |
從左到右 |
| 一元 |
+ - ! ~ ++ - - (type)* & sizeof |
從右到左 |
| 乘除 |
* / % |
從左到右 |
| 加減 |
+ - |
從左到右 |
| 移位 |
<< >> |
從左到右 |
| 關係 |
< <= > >= |
從左到右 |
| 相等 |
== != |
從左到右 |
| 位與 AND |
& |
從左到右 |
| 位異或 XOR |
^ |
從左到右 |
| 位或 OR |
| |
從左到右 |
| 邏輯與 AND |
&& |
從左到右 |
| 邏輯或 OR |
|| |
從左到右 |
| 條件 |
?: |
從右到左 |
| 賦值 |
= += -= *= /= %=>>= <<= &= ^= |= |
從右到左 |
| 逗號 |
, |
從左到右 |