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詳細(xì)講解C語言中的數(shù)據(jù)以及位運(yùn)算

更新時(shí)間：2023年06月08日 16:28:02 作者：釉色清風(fēng)

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了C語言中數(shù)據(jù)表示方法以及位運(yùn)算的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，文中的示例代碼講解詳細(xì)，感興趣的小伙伴可以跟隨小編一起學(xué)習(xí)一下

C語言中數(shù)據(jù)的表示方法

各種數(shù)據(jù)類型可表示的數(shù)值范圍

C語言編譯器在<limits.h>頭文件中以宏定義的形式定義了字符型以及其他整型所能表示的數(shù)值的最大值和最小值。

下面來看看在VC++環(huán)境下的各數(shù)據(jù)類型所能表示的數(shù)值范圍。

#include <stdio.h>
#include <limits.h>
int main(void)
{
	puts("該環(huán)境下各字符型、整型數(shù)值的范圍：");
	printf("char              :%d~%d\n",CHAR_MIN,CHAR_MAX);
	printf("signed char       :%d~%d\n",SCHAR_MIN,SCHAR_MAX);
	printf("unsigned char     :%d~%d\n",0,UCHAR_MAX);
	printf("short             :%d~%d\n",SHRT_MIN,SHRT_MAX);
	printf("int               :%d~%d\n",INT_MIN,INT_MAX);
	printf("long              :%d~%d\n",LONG_MIN,LONG_MAX);
	printf("unsigned short    :%d~%d\n",0,USHRT_MAX);
	printf("unsigned int      :%u~%u\n",0,UINT_MAX);
	printf("unsigned long     :%lu~%lu\n",0,ULONG_MAX);
	return 0;
}

位和CHAR_BIT

計(jì)算機(jī)中的所有數(shù)據(jù)都是用0和1（即“位”）的組合來表示的。

C語言中“位”（bit）的定義如下：

“位”是具有大量?jī)?nèi)存空間的運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，可保存具有兩種取值的對(duì)象。
“位”可取兩種值，其中一種是0。將位設(shè)為0以外的值，稱為“設(shè)置位”。

根據(jù)編譯器的不同，char型在內(nèi)存上占據(jù)的位數(shù)也不同。該位數(shù)作為對(duì)象式宏CHAR_BIT定義在<limits.h>中。

char型的位數(shù)因編譯器而定，至少為8。

能夠用字符型表示的數(shù)值范圍是依附于CHAR_BIT的。

#include <stdio.h>
#include <limits.h>
int main(void)
{
	printf("char 型在內(nèi)存上占據(jù)的位數(shù):%d\n",CHAR_BIT);
	return 0;
}

char型的內(nèi)部：

sizeof運(yùn)算符

C語言中將表示字符的char型的長(zhǎng)度定義為1。(char的長(zhǎng)度可以通過計(jì)算機(jī)硬件的位數(shù)來確定。在32位系統(tǒng)中，char占用1個(gè)字節(jié)（8位）；在64位系統(tǒng)中，char也仍然占用1個(gè)字節(jié)（8位）。這意味著char的長(zhǎng)度不會(huì)隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的升級(jí)而改變。)

通過使用sizeof運(yùn)算符(sizeof operator),可以判斷出包括chai型在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度。該運(yùn)算符以字節(jié)(bite)為單位。

下面我們來使用sizeof運(yùn)算符，顯示字符型和整型的長(zhǎng)度。

#include <stdio.h>
int main(void)
{
	printf("sizeof(char)=%d\n",sizeof(char));
	printf("sizeof(short)=%d\n",sizeof(short));
	printf("sizeof(int)=%d\n",sizeof(int));
	printf("sizeof(long)=%d\n",sizeof(long));
	printf("sizeof(unsigned char)=%u\n",(unsigned)sizeof(char));
	printf("sizeof(unsigned short)=%u\n",(unsigned)sizeof(short));
	printf("sizeof(unsigned int)=%u\n",(unsigned)sizeof(int));
	printf("sizeof(unsigned long)=%u\n",(unsigned)sizeof(long));
	return 0;
}

程序的運(yùn)行結(jié)果因編譯器和編譯環(huán)境的不同而不同。但sizeof(char)必為1。`各種數(shù)據(jù)類型的有符號(hào)型和無符號(hào)型的長(zhǎng)度相同。例如，sizeof(short)和sizeof(unsigned short)相等，sizeof(long)和sizeof(unsigned long)相等。short 、int、long具有如下關(guān)系：

sizeof(short)≤sizeof(int)≤sizeof(long)

即右側(cè)的數(shù)據(jù)類型和左側(cè)的數(shù)據(jù)類型相等，或者大于左側(cè)的數(shù)據(jù)類型。

整型的內(nèi)部表示

整型內(nèi)部的位表示使用的是純二進(jìn)制計(jì)數(shù)法(pure binary numeration system)。但對(duì)于構(gòu)成整型的位序列的解釋，無符號(hào)類型和有符號(hào)類型是完全不同的。

無符號(hào)整數(shù)的內(nèi)部表示

無符號(hào)整數(shù)的數(shù)值在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是以二進(jìn)制數(shù)來表示的，該二進(jìn)制數(shù)與各二進(jìn)制位一一對(duì)應(yīng)。例如十進(jìn)制數(shù)25用二進(jìn)制數(shù)表示如下：

25用二進(jìn)制數(shù)表示是11001，高位補(bǔ)0后表示為0000000000011001。

以16位為例，無符號(hào)整數(shù)的最小值為0,即0000 0000 0000 0000，最大值為65535,即1111 1111 1111 1111。

有符號(hào)整數(shù)的內(nèi)部表示

當(dāng)存儲(chǔ)有符號(hào)數(shù)時(shí)，最高位為符號(hào)位（1表示負(fù)數(shù)，0表示非負(fù)數(shù)），其余位是數(shù)據(jù)位。

計(jì)算機(jī)中有符號(hào)整數(shù)的存儲(chǔ)是以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)的。

一個(gè)整數(shù)有以下三種編碼。

1.原碼

十進(jìn)制整數(shù)數(shù)碼化為原碼的方法是首先把十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，然后在高位用0補(bǔ)足15位，最后添上符號(hào)位。

2.反碼

對(duì)整數(shù)而言，原碼即為反碼，對(duì)負(fù)數(shù)而言，反碼是將原碼中除符號(hào)位之外的其余位依次取反。

3.補(bǔ)碼

對(duì)整數(shù)而言，原碼即為補(bǔ)碼。對(duì)負(fù)數(shù)而言，補(bǔ)碼是在反碼的基礎(chǔ)上加1。在求補(bǔ)碼的過程中，符號(hào)位不發(fā)生變化，當(dāng)數(shù)據(jù)的最高位有進(jìn)位時(shí)，舍棄進(jìn)位。

補(bǔ)碼的運(yùn)算法則如下：

位運(yùn)算

位運(yùn)算符

C語言提供了六種運(yùn)算符：

&位與運(yùn)算符
|位或運(yùn)算符
^位異或運(yùn)算符
~位取反運(yùn)算符(單目運(yùn)算符)
＜＜位左移運(yùn)算符
＞＞位右移運(yùn)算符

注意，位運(yùn)算的對(duì)象只能是整型和字符型，不能是浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)。運(yùn)算結(jié)果是整形數(shù)據(jù)。

位與運(yùn)算

&運(yùn)算的含義是對(duì)參與運(yùn)算的兩個(gè)運(yùn)算對(duì)象的機(jī)器碼按二進(jìn)制方式對(duì)相應(yīng)位進(jìn)行位與運(yùn)算，當(dāng)兩個(gè)相應(yīng)位都為1時(shí)，運(yùn)算結(jié)果的相應(yīng)位也為1；否則，運(yùn)算結(jié)果的相應(yīng)位為0。

位或運(yùn)算

|運(yùn)算的含義是對(duì)參與運(yùn)算的兩個(gè)運(yùn)算對(duì)象的機(jī)器碼按二進(jìn)制方式對(duì)相應(yīng)位進(jìn)行位或運(yùn)算，當(dāng)兩個(gè)相應(yīng)位都為0時(shí)，運(yùn)算結(jié)果的相應(yīng)位也為0，否則運(yùn)算結(jié)果的相應(yīng)位為1。

位異或運(yùn)算

^運(yùn)算的含義是對(duì)參與運(yùn)算的兩個(gè)運(yùn)算對(duì)象的機(jī)器碼按二進(jìn)制方式對(duì)相應(yīng)位進(jìn)行位異或運(yùn)算，當(dāng)兩個(gè)相應(yīng)位相同時(shí)，運(yùn)算結(jié)果的相應(yīng)位為0,否則運(yùn)算結(jié)果的相應(yīng)位為1。

位取反運(yùn)算

～運(yùn)算的含義是對(duì)參與運(yùn)算的運(yùn)算對(duì)象的機(jī)器碼按二進(jìn)制方式對(duì)相應(yīng)位進(jìn)行位取反運(yùn)算，1變0，0變1。

注: & |和～運(yùn)算符的功能和&& || 和 !運(yùn)算符功能相似，但要注意它們的區(qū)別。

&& || 和 !會(huì)根據(jù)非零為真，零為假的運(yùn)算規(guī)則對(duì)操作數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

& |和～會(huì)根據(jù)1為真，0為假的運(yùn)算規(guī)則對(duì)操作數(shù)的二進(jìn)制位進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

例如：

表達(dá)式 3 & -1的值計(jì)算如下：

而表達(dá)式 3 && -1的值為1.

位左移運(yùn)算符

＜＜運(yùn)算的含義是對(duì)參與運(yùn)算的運(yùn)算對(duì)象的機(jī)器碼按規(guī)定的移位數(shù)進(jìn)行左移。＜＜運(yùn)算符構(gòu)成的表達(dá)式一般格式為a＜＜n，其中a是需要移位的數(shù)據(jù)，n是移位的位數(shù)。在移位的過程中，高位移除的位舍棄，低位左移后補(bǔ)0。

例如：

表達(dá)式a＜＜1的運(yùn)算如下：（a=3）

這里需要注意的是，a＜＜1后，a的值不變。

以上述為例，通過左移a＜＜1的值為6,是原來的2倍。其實(shí)不難理解，以十進(jìn)指數(shù)為例，假如將198進(jìn)行左移，低位補(bǔ)0后，變成了1980,是原來的10倍。而在二進(jìn)制中，若向左移動(dòng)n位，那么a＜＜n就會(huì)變成原來的2的n次方。

位右移運(yùn)算符

＞＞運(yùn)算的含義是對(duì)參與運(yùn)算的運(yùn)算對(duì)象的機(jī)器碼按規(guī)定的移位數(shù)進(jìn)行右移。＞＞運(yùn)算符構(gòu)成的表達(dá)式一般格式為a＞＞n，其中a是需要移位的數(shù)據(jù)，n是移位的位數(shù)。

例如：

表達(dá)式a＞＞1（a=3）的運(yùn)算如下：