6. 變數、常數與資料型態

• 資料型態Data Types
• 變數Variables
• 常數Constants
• 顯式型態轉換Explicit Conversions

程式設計主要的目的是為了解決問題，而大多數的問題又與資料處理相關。在C語言中，資料可以變數或常數的方式呈現，並加以運算或處理。另外，在C語言還將資料分類成不同的資料型態(Data Type)，例如我們可將數字分成整數、實數等。本章將就C語言的資料型態及變數(variable)與常數(constant)的宣告、初始化做一說明。在開始之前，先讓我們回顧一下在第5章所談到的變數與記憶體位址的概念：

<note>

摘錄第5章部份內容

int n;

</note>

在第5章中，我們已經粗略地介紹了變數與記憶體的關係，本節將進一步詳細說明。由於程式設計的需要，我們必須在程式執行的階段利用記憶體空間來存放一些資料，並且可以對這些資料進行運算與處理。我們將這些在程式執行階段所使用到的資料項目稱為變數(variable)，C語言要求所有的變數必須先宣告後才能使用。假設我們需要在程式中處理一個整數的運算，因此我們必須先進行整數變數的宣告：

int x;

上述的程式碼宣告了一個名稱為x的變數，在程式執行時，作業系統會分配足以放置整數的記憶體空間供它使用。所謂的足夠的空間指得是存放一個整數所需的空間，其大小視作業系統而定，通常是32bits，也就是4個bytes。

<note tip>若要知道您所在的作業系統，使用多少空間來存放一個整數，可以使用sizeof(int)，它會傳回一個整數所佔的記憶體空間大小(其單位為byte)。</note>

讓我們假設程式開始執行，並且變數x所需的記憶體空間被配置在0x7ffff34fff00記憶體位址，那麼程式的symbol table內容為：

當中記載了一個名為x的符號，其型態為int，並且存放於0x7ffff34fff00位址起始的連續四個bytes(因為已經記載了其型態為int，所以系統可以知道其佔了四個bytes)。接著假設我們執行以下的程式碼：

 x=38; 

系統會檢視符號x所在的記憶體空間與其型態，然後將數值38放入對應的記憶體空間內，請參考figure 1。

Fig. 1

由於一個整數假設為32bits，也就是四個bytes，所以我們會將0x7ffff34fff00~0x7ffff34fff03的記憶體空間，以38的二進位100110來儲存。通常描述記憶體空間的圖有兩種畫法，其一為figure 1的橫式，或是figure 2的直式，兩者的意義相同。

Fig. 2

<note tip>記憶體位址的單位為byte，且通常以16進位來表示。0x7fff34fff00開頭處的0x就表示數值為16進位。 </note>

除卻這些細節，通常我們在設計C語言程式時，只需要抽像化地將變數x表達為記憶體中的某塊位置，不用特別去注意其所在的記憶體位置為何，figure 3就是我們常用的思考方式。

Fig. 3

如第5章所說明的，如果我們想要知道一個變數到底存放在哪個記憶體位址，可以使用&運算子來取得。請參考以下的程式，它宣告了一個整數變數，並將其值與記憶體位址加以輸出。

#include <stdio.h>
 
int main()
{
  int x;
 
  x=38;
 
  printf("The value of x is %d.\n",x);                       
  printf("The memory address of x is %p\n", &x);
}

<note tip> 在printf()函式中，如要輸出記憶體位址，其format specifier為%p。 </note>

現在，讓我們正式地介紹C語言變數宣告的語法(syntax)。請參考以下列的語法說明：

type variableName[=value]?[,variableName[=value]?]*

<note tip> 在上面的語法說明中，「[]」為選擇性的語法單元，其後接續「*」表示該語法單元可出現0次或多次；「?」表示出現0次或1次。另外還有「+」代表1次或多次。本書將使用這種表示法做為語法的說明。 </note>

其中type為型態、variableName為變數的名稱，中括號內的部份則是選擇性的(可以有，也可以忽略)，為該變數的初始數值。到目前為止，我們只介紹過int整數資料型態，其它可以使用的資料型態將在本章稍後加以介紹。

下面的程式碼片段宣告了一個名為x的整數變數，並且在後續設定其數值為38。

int x;
 
...
 
x=38;

我們也可以將變數宣告與數值給定同時以一行程式碼來完成：

int x=38;

<note important> 未設定初始值的變數，其數值是不可知的(有些系統會在配置記憶體空間時，同時將空間內所以的位元皆設定為0)。任何一個變數都不應該在未設定數值前就將它拿來運用，否則程式可能會遇到不可預期的錯誤。 </note>

我們也可以同時宣告有多個相同型態的變數，例如下面的程式碼，同時宣告了三個整數變數x、y與z，其中x不指定初始值，y與z的初始值則分別為3與6。要注意的是，我們在兩個變數宣告的中間，是以','加以隔開。

int x, y=3, z=6;

<note important>

程式可讀性(readability)

</note>

變數名稱在程式語言中又稱為識別字(identifier)，其代表在程式執行階段的某個資料項目，因此建議使用較具意義的變數名稱，才容易理解、提升程式碼的可讀性(readability)。C語言變數命名具備以下規定：

• 只能使用英文大小寫字母、數字與底線(_)
• 不能使用數字開頭
• 不能與C語言的保留字相同

<note> C語言共有以下34個保留字:

</note>

C語言是case-sensitive的語言，意即大小寫會被視為不同的字元，因此以下的宣告其變數名稱皆是正確且不相同的：

int JUN, jun, Jun, JUn, JuN, jUn, jUN, juN;

為了讓程式碼的可讀性提升，使用有意義的變數名稱是相當重要的，有時我們甚至會使用一個以上的英文單字為變數命名，此時可以適當地調整大小寫或加上底線，例如下面是正確的宣告：

int bestStudent, BestStudent, best_student;

建議使用良好的命名規則，例如Camel Case或Hungarian Notation。目前C語言程式設計師通常以lower camel case法為變數命名，使用Hungarian Notation的程式市設計師也不再少數。

<note tip>

Camel Case命名規則

</note>

在程式碼中，經宣告並給定初始值後，就不再(也不允許)變更其數值的資料，就稱為常數(constant)。

C語言的常數宣告語法如下：

const type variableName=value[,variableName=value]*

其實，常數的宣告就如同變數宣告一樣，只要在最前面加上const這個保留字即可，同時所有常數的宣告都必須給定初始值。請參考下面的程式碼片段：

const int x=3, y=5;
...
 
x=6;
 
...

上面的程式碼正確地宣告了兩個整數常數，但後續我們又改變了其中一個常數的數值，這樣會導致在編譯時的錯誤。您會得到“error: read-only variable is not assignable”的錯誤訊息。

除了前述的常數宣告外，我們還可以使用#define這個preprocessor directive來定義常數。例如：

#define  PI      3.1415926
 
int main()
{
   int radius=5;
   float area;
 
   area = PI * radius * radius;
 
   ...
}

這個程式以#define定義了一個符號“PI”其值為3.1415926。當程式被編譯時，preprocessor會先將程式碼進行掃描，將其中所有出現PI之處，都改以3.1415926代替，然後再將代換後的程式碼交由compiler進行編譯。

C語言提供多種資料型態，包含基本資料型態(basic data type)與自定資料型態(user-defined data type)兩類。本章僅就基本資料型態做一說明，自定資料型態請參閱後續章節。

顧名思義，整數型態就是用以表示整數的資料。C語言中的整數型態，以integer的前三個字母int表示，唸做int或是integer都可。在現在的系統中，int通常為32位元(但在一些較舊的PC上，int也可能只是16位元)，其中最左邊的bit代表正負數 → 0代表正整數或0，1代表負整數。以32bits為例，最大的正整數為<latex>(0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111)_2=2,147,483,647</latex>，也就是<latex>$2^{31}$-1</latex>；至於最小的負數並不是<latex>(1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111)$_2$= -2,147,483,647</latex>，而是<latex>(1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000)$_2$</latex>，其值為<latex>-2,147,483,648=- 2^{32}</latex>。

若不想用最左邊的bit來表達正負號，可以使用unsigned這個保留字加在整數型態的前面。例如unsigned int可表達的範圍為0到<latex>4,294,967,295</latex>，也就是<latex>$2^{32} - 1$</latex>。unsigned除了是保留字外，我們也稱它為修飾字(modifier)，因為它可以加在其它保留字的前面，用以限縮或拓展其可表達的數值範圍。

除了unsigned修飾字外，整數int型態還可以搭配short與long兩個修飾字，將其表達空間加以調整。假設int為32bits，那麼short int則為16bits，long int則為64bits。您也可以再搭配unsigned修飾字一起使用，因此C語言一共有以下6種整數型態：

• Standard signed integer types (標準符號整數型態)
  • short int
  • int
  • long int
• Standard unsigned integer types (標準無符號整數型態)
  • unsigned short int
  • unsigned int
  • unsigned long int

<note important>

型態也可以縮寫?

</note>

如果想要知道您所使用的系統上，各種整數資料型態的最小值與最大值，可以使用在limits.h標頭檔中的巨集(macro)定義(關於巨集請參考本書第X章)。limits.h標頭檔共定義了9個與整數資料型態相關的巨集定義，詳如table 1：

您可以使用上述9個巨集數值，印出各整數資料型態的最大值與最小值，請參考下面這個程式：

#include <stdio.h>
#include <limits.h>
 
 
int main()
{
  printf("short int [%d, %d]\n",SHRT_MIN, SHRT_MAX);
  printf("int [%d, %d\n", INT_MIN, INT_MAX);
  printf("long int [%ld, %ld]\n", LONG_MIN, LONG_MAX);
  printf("unsigned short int [0, %u]\n", USHRT_MAX);
  printf("unsigned int [0, %u]\n", UINT_MAX);
  printf("unsigned long int [0, %lu]\n", ULONG_MAX);
}

<note tip> unsigned的整數其format specifier為%u；long型態的整數可在其format specifier前加上l，如%ld, %lu。 </note>

以64位元的Mac OS X 10.8.4為例，各整數型態的數值範圍如table 2：

除了宣告變數為某種型態外，我們也可以直接在程式碼中使用整數數值，本節將說明各種型態的整數數值的表示方法。

在C語言中，整數數值可依其所使用的進位系統分成十進制(decimal, base 10)、二進制(binary, base 2)、八進制(octal, base 8)與十六進制(hexadecimal, base 16)等四種表示法。

• Decimal
  • 除正負號外，以數字0到9組成，除了數值0之外，不可以0開頭。
  • 例如：0, 34, -99393皆屬之
• Binary
  • 除正負號外，僅由數字0與1組成，必須以0b開頭。
  • 例如：0b0, 0b101, 0b111皆屬之
• Octal
  • 除正負號外，僅由數字0到7組成，必須以0開頭。
  • 例如：00, 034, 07777皆屬之
• Hexadecimal
  • 除正負號外，由數字0到9以及字母(大小寫皆可)a到f組成，必須以0x或0X開頭。
  • 例如：0xf, 0xff, 0X34A5, 0X3F2B01皆屬之

我們還可以在數值後面加上L(或l)、U(或u)，強制該數值為long型態或是unsinged型態，兩者也可以混用表示unsigned long型態，例如：13L, 376l, 0374L, 0x3ab3L, 0xffffffUL, 03273LU等皆屬之。

除了本書已經介紹過的%d、%u、%ld、%lu等適用於整數型態的format specifier外，C語言還有%o與%x用以表示八進制與十六進制的整數數值，全部彙整於table 3：

我們可以使用scanf()與printf()函式，配合format specifier來取得或輸出特定的整數型態的數值。請參考intIO.c程式範例，示範如何取得各種型態的整數，並且加以輸出：

#include <stdio.h>
 
int main()
{
  int x;
  short int y;
  long int z;
 
  printf("Please input an int:");
  scanf("%d",&x);
 
  printf("%d_decimal =  %o_octal = %x_hexadecimal.\n", x, x, x);
 
  printf("Please input a short int in octal:");
  scanf("%ho",&y);
  printf("%hd_decimal =  %ho_octal = %hx_hexadecimal.\n", y, y, y);
 
  printf("Please input a long int in hexadecimal:");
  scanf("%lx",&z);
  printf("%ld_decimal =  %lo_octal = %lx_hexadecimal.\n", z, z, z);
}

顧名思義，浮點數型態就是用以表示小數的資料。C語言中有3種符點數的型態：float, double與long double，分別實作了IEEE 754當中的單精確度、倍精確度與擴充精確度：

• float: 單精確度浮點數(single-precision floating-point)
• double: 倍精確度浮點數(double-precision floating-point)
• long double: 擴充精確度符點數(extended-precision floating-point)

一般而言，float型態適用於對小數的精確度不特別要求的情況，例如體重計算至小數點後兩位、學期成績計算至小數點後一位等情況。而double則用在重視小數的精確度的場合，例如台幣對美金的匯率、工程或科學方面的應用等。至於long double，則更進一步提供精確度，但非常少機會使用到。

由於在不同平台上，浮點數的實作差異甚大，所以C語言的標準並沒有提到float, double與long double該提供多少的精確度。本節以IEEE 754標準為參考，將浮點數的數值範圍與精確度做一整理，請參考table 4。如果還需要更詳細的資訊，請參考定義在float.h標頭檔中的巨集。

浮點數數值的表達有兩種方式:

• Decimal
  • 除正負號外，以數字0到9以及一個小數點組成。
  • 例如：0.0, 34.3948, 3.1415926, -99.393皆屬之。
• scientific notation
  • 由一個decimal數字與exponent組成
  • decimal數字前可包含一個正負號，數字中可包含一個小數
  • exponent表示10的若干次方，以一個E或e後接次方數表達
  • 在E或e的後面可接一個正負號，表示該次方數為正或負
  • 例如：345E0, 3.45e+1, 3.45E-5皆屬之

C語言默認的浮點數型態為double，如果您要特別強制一個數值之型態為float或long double，可以在數值後接上一個F或L(大小寫皆可)。例如：3.45L, 3.45f等皆屬之。

適用於浮點數型態的format specifier，彙整於table 5：

所謂的字元型態就是用以表示文字、符號等資料，在C語言中只有一種字元型態：

• char

在不同的系統中，字元的數值可能會代表不同意義，視其所採用的字元集(character set)而定。現行最常見的字元集為ASCII(American Standard Code for Information Interchange)，請參考Wikipedia關於ASCII的說明。

在C語言中，一個char型態的數值就是一個整數。具體來說，C語言使用8 bits的整數，使用從00000000到11111111共256種可能的數值來對映到ASCII的字元。例如'A'的ASCII數值為65，'0'為48等。

因此，我們可以把char型態的數值當成整數來進行運算，例如：

char c;
int i;
 
i ='a';    // i的值為97
c = 65;    // c的值為'A'
c = c + 1; // c的值為'B'

既然char型態就是整數，那可不可以再配合unsigned使用呢？因為char型態的整數數值是用以對應特定的字元集(如ASCII)，而每個字元集都有其可表達的字元個數要求，C語言會自動將char定義為singed或unsigned以符合字元集的需求。因此我們通常不會特別在char前加上unsigned。但是，如果您有某些較小的整數資料要處理，就可以考慮使用char來代替int。因為int為32 bits，甚至short int也要使用到16 bits，若您只需要處理一些介於-128到127之間的數值，那您就可以考慮改用char來代替int；或是宣告為unsigned char來處理那些介於0到255的正整數資料。

字元數值的表達方法有兩種:

• 字元值
  • 以一對''單引號將字元放置其中。
  • 例如：'A', '4', ' ', '&'皆屬之。
• 整數值
  • 對應在字元集中的整數值
  • 例如：65, 97等皆屬之

C語言針對一些特殊字元，提供一組escape sequence，如table 6

除此之外，還可以使用八進制或十六進制來表達字元：

• 八進制的escape sequence
  • 以\開頭，後面接八進制數值
  • 八進制數值在此處可不用0開頭
  • 例如： \33 或 \033皆屬之
• 十六進制的escape sequence
  • 以\x開頭，後面接十六進制數值
  • 十六進制的數值不可超過FF
  • 十六進制的數值不需以0x開頭
  • 十六進制的數值可以使用大寫或小寫的英文字母
  • 例如： \x1B 或 \x1b 皆屬之

適用於字元型態的format specifier，只有一個 %c。您可以搭配%c於scanf()與printf()函式使用，以取得或輸出字元資料。此外，您還可以使用getchar()與putchar()函式來取得或輸出一個字元，例如：

char c; //宣告一個字元變數c
 
c = getchar(); //以getchar()取得使用者輸入的字元，並放置於變數c
 
putchar(c);    //將字元變數c輸出

如果在程式碼中，我們想要把某個數值之型態加以轉換，可以使用顯示型態轉換(explicit conversion)來對數值進行強制的轉型(casting)。使用的方法很簡單，只要在想要轉型的數值前加上一組()其中指定欲轉換的型態即可，例如:

int x;
long int y;
 
y=(long)x;
y = (long)(x+837);
x = (int)sizeof(int);

作業4