【C#学习笔记02】基本元素与数据类型

引言

深入了解C语言的基本元素、计算机存储器结构、常量与变量的概念以及数据类型。这些内容是C语言编程的基础，掌握它们对于编写高效、可靠的嵌入式程序至关重要。

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1.C语言的基本元素

​编程语言的发展离不开自然语言，所以编程语言的语法和词汇也是由自然语言发展而来，而自然语言的基础是文字，举个例子：想要学会汉语，则必须先学会汉字，想要学会英语，则必须先学会单词，通过下图可以知道，想要学会C语言，必须先学会关键字。

完成一个程序设计的过程就相当于是完成一篇文章的编写，而一篇文章（程序）是由多个段落（函数）构成的，一个段落（函数）是由多个句子（语句）构成的，一个句子（语句）是由多个短语（表达式）构成的，一个短语（表达式）是由多个单词（标识符）构成的，一个单词（标识符）是由多个文字（字符）组成的。

C语言程序由一系列基本元素构成，这些元素包括：

• 字符集：C语言支持的基本字符，包括字母、数字、特殊符号（如​​+​​、​​-​​、​​*​​等）。
• 关键字：C语言中具有特殊含义的保留字，如​​int​​、​​return​​、​​if​​等。
• 标识符：由程序员定义的名称，用于表示变量、函数、数组等。
• 运算符：用于执行操作的符号，如算术运算符（​​+​​、​​-​​）、关系运算符（​​>​​、​​<​​）等。
• 分隔符：用于分隔代码元素的符号，如分号（​​;​​）、逗号（​​,​​）等。

#include <stdio.h>int main() {int a = 10;  // int是关键字，a是标识符int b = 20;int sum = a + b;  // +是运算符printf("Sum: %d\n", sum);  // ;是分隔符return 0;
}

可以看到，C语言标准中常用的关键字只有32个，并且这些关键字都是小写的，并且都是某些英文单词的缩写。 int -- integer   char -- character 

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2. 计算机存储器结构

数据概念

数据是计算机处理的基本单位，可以是数字、字符、布尔值等。在C语言中，数据通过变量和常量来表示。人类使用计算机的目的就是为了高效的处理大量数据，但是数据的类型有很多，比如声音、图像、文字、数字等，那计算机是如何区分数据的呢？ 回答：计算机不用区分，计算机只采用二进制存储。

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内存概念

内存是计算机用于存储数据和程序的硬件设备。每个内存单元都有一个唯一的地址，程序通过地址访问内存中的数据。

对于计算机中的存储器而言，一般分为两种：RAM（随机存储器）和 ROM（只读存储器）  

(1) 只读存储器

只读存储器的英文全称是Read Only Memory，简称为ROM，属于非易失性存储设备，指的是掉电不丢失数据，可以把数据长时间存储，一般分为很多种，具体的区别可以通过《数电》进行了解，对于计算机的机械硬盘或者固态硬盘而言指的就是ROM。

(2) 随机存储器

随机存储器的英文全称是Random Access Memory，简称为RAM，属于易失性存储设备，指的是掉电会丢失数据，但是读写速度很快。所以一般CPU都是直接和RAM打交道。

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内存单位

内存中一个MOS管可以存储一个二进制数0或1，为了方便记忆，标准规定把一个二进制数用bit来进行表示，bit（比特）是binary digit的缩写，中文翻译为位。专业术语一般把一个二进制数称为一位二进制数。所以bit就用来表示计算机数据的最小单位。

注意：计算机处理数据的基本单位是byte，计算机处理数据的最小单位是bit，1byte = 8bit。

内存的单位从小到大依次为：

• 位（Bit）：最小的存储单位，表示一个二进制位（0或1）。
• 字节（Byte）：8位组成一个字节，是内存的基本单位。
• 千字节（KB）：1024字节。
• 兆字节（MB）：1024千字节。
• 吉字节（GB）：1024兆字节。

#include <stdio.h>int main() {int a = 10;  // 假设int类型占4个字节printf("Size of a: %lu bytes\n", sizeof(a));  // 输出a占用的内存大小return 0;
}

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3. C语言的常量与变量

C语言采用常量（Constant）和变量（Variable）作为数据存储的基本单元。从内存管理的角度来看，内存是由连续编址的存储单元构成的物理空间，每个存储单元（8位）都具有唯一的地址标识。虽然理论上可以通过直接寻址方式访问这些存储单元，但由于效率考量，实践中通常采用更高级的抽象访问机制。

根据C语言规范，开发者享有动态内存申请权限。申请过程需遵循以下协议：

1. 显式声明所需内存空间的大小（以字节为单位）
2. 内核负责在物理内存中定位合适的连续空间
3. 系统将分配的内存首地址返回给申请者

为提升内存访问效率，C语言引入了符号化访问机制：

• 开发者可为分配的内存空间指定标识符
• 系统维护符号名与物理地址的映射关系
• 通过符号名实现间接内存访问

基于数据可变性特征，C语言将存储单元划分为两种类型：

1. 常量（Constant）：程序运行期间值不可变
2. 变量（Variable）：程序运行期间值可变

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常量

​常量指的是在程序运行期间值不会发生改变的量，一般使用的数字，比如3.14用来表示圆周率，一般情况下，用户都是用通过宏定义的方式来实现常量的设计，宏定义其实就是简单的文本替换，在预处理阶段预处理器会把程序中的宏定义进行展开。C语言中规定宏定义使用预处理指令 #define 来进行设计。

常量是程序运行过程中值不会改变的数据。常量可以分为以下几种：

• 整型常量：如​​10​​、​​-20​​。
• 浮点型常量：如​​3.14​​、​​-0.5​​。
• 字符常量：如​​'A'​​、​​'1'​​。
• 字符串常量：如​​"Hello, World!"​​。

变量

变量是程序运行过程中值可以改变的数据。变量指的是在程序运行期间值可能发生变化的量，用户可以根据实际需要来向kernel申请一块存储单元，并对这块存储单元进行命名，然后用户可以随时修改存储单元中的数据。申请的存储单元的大小可以通过C语言中的数据类型进行指定。

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命名规则

变量和常量的命名需要遵循以下规则：

• 只能包含字母、数字和下划线（​​_​​）。
• 不能以数字开头。
• 不能使用C语言关键字。
• 区分大小写。

注意：为了防止二义性出现，C语言标准规定不可以把系统保留字，以及程序中已经存在的函数名称、以及用户已经定义出来的标识符名称作为新的标识符名称（同一个作用域内不能）。  

另外：C语言的标识符是区分大小写，并且作为用户而言，标识符的命名应该是有意义的

int myVariable;  // 合法
int _value;      // 合法
int 1value;      // 非法，不能以数字开头
int return;      // 非法，return是关键字

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4. C语言的数据类型

C语言提供了丰富的数据类型，用于表示不同类型的数据。以下是常见的数据类型：

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字符型（​​char​​）

字符型用于存储单个字符，占用1个字节。C语言标准中提供了一个关键字 char ，其实是 character 单词的缩写，表示字符的意思，操作系统char类型的数据宽度定义为1字节，用于存储字符，C语言标准中用单撇号’ ’表示字符。

C语言标准规定：用户打算存储字符   数据宽度  变量名称 ;  举例： char  ch  =  ‘c’ ;

C语言标准中关于字符的种类有两种：普通字符 and 转义字符，对于ASCII码表中转义字符

注意：ASCII码中的转义字符需要使用 ‘\0’  ‘\r’  ‘\n’进行表示，代表字符具有特殊的意义分别表示：空格、换行和回车。

#include <stdio.h>int main() {char letter = 'A';printf("%c\n", letter);return 0;
}

输出：

A

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整数型（​​int​​）

C语言标准中使用关键字int表示整数，整数型用于存储整数值，通常占用4个字节，关键字 int 的英文单词是 integer ，对应的中文具有整数的含义，在32系统下关键字int的数据宽度是4字节，也就意味着存储单元所能存储的整数范围比较广泛。

#include <stdio.h>int main() {int number = 100;printf("%d\n", number);return 0;
}

输出：

100

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短整型（​​short​​）

C语言标准中规定使用关键字 short 来表示短整型，短整型用于存储较小的整数值，通常占用2个字节。一般短整型的全称是 short int ，只不过写程序的时候可以只写 short 即可，在32位系统下 short 短整型占2字节。

#include <stdio.h>int main() {short smallNumber = 32767;printf("%d\n", smallNumber);return 0;
}

输出：

32767

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长整型（​​long​​）

C语言标准中规定使用关键字 long 来表示长整型，长整型用于存储较大的整数值，通常占用4个或8个字节。一般长整型的全称是 long int ，只不过写程序的时候可以只写long即可，在32位系统下 long 长整型占4字节，在64位系统占8字节。

#include <stdio.h>int main() {long bigNumber = 2147483647;printf("%ld\n", bigNumber);return 0;
}

输出：

2147483647

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长长整型（​​long long​​）

C语言标准中规定使用关键字 long long 来表示长长整型，长长整型用于存储非常大的整数值。但是长长整型是使用 long long 来表示，在32位和64位系统下长长整型占8字节。

#include <stdio.h>int main() {long long hugeNumber = 9223372036854775807;printf("%lld\n", hugeNumber);return 0;
}

输出：

9223372036854775807

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浮点型（​​float​​和​​double​​）

数据有整数和小数之分，一般情况下处理的数据也是具有小数的，所以C语言标准中规定使用关键字 float 来表示单精度浮点数，单精度浮点型占4字节，另外C语言标准中也提供了另一个关键字 double 用来表示双精度浮点数，double 占8字节，其实C语言也提供了一种类型 long double，该类型占16字节。

#include <stdio.h>int main() {float pi = 3.14;double precisePi = 3.1415926535;printf("%f\n", pi);printf("%f\n", precisePi);return 0;
}

输出：

3.14
3.1415926535

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字符串

字符串是表示某种含义的一个字符序列，字符串在内存是需要一块连续的内存空间进行存储，C语言中规定字符串使用双引号””表示，并且规定字符串的结束标志是’\0’，但’\0’不需要用户手动添加，系统会自动在一个字符串的末尾添加’\0’。

#include <stdio.h>int main() {char name[] = "Alice";printf("%s\n", name);return 0;
}

输出：

Alice

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布尔型（​​bool​​）

用户有时候需要在程序进行判断，在C89标准中，用户如果想要判断某种条件是否成立，一般是定义一个整型变量，然后利用数字0和数字1来表示条件是否成立，用户就可以把变量作为一个标志位使用。  在C99标准可以使用布尔型来表示真假两种情况，头文件 stdbool.h 有相关描述，在头文件中定义了三个宏，分别是 bool、true 以及 false。

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>int main() {bool isCodingFun = true;printf("%d\n", isCodingFun);  // 输出1表示truereturn 0;
}

输出：

1

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补充：

​C语言标准中提供了两个关键字  &&  unsigned用于修饰整数，unsigned表示无符号，signed表示有符号，C语言中的signed修饰符是隐式声明，也就是用户定义整型变量的时候如果没有特别强调，则整型变量默认是有符号的。用户如果要存储无符号的整数，则必须定义变量必须显式声明变量是无符号的（unsigned）。