CDay02

进程的虚拟内存空间

变量和常量

变量

变量：在程序运行的过程中可以发生改变的量
变量的本质：一块可写的内存空间

变量的三要素：数据类型（这片内存有多大？如何解释这片空间里的数据？）、变量名（如何引用这片内存中的数据？）、值（这片内存中的数据是什么？）

常量

常量：在程序运行的过程中不可以发生改变的量

例如：const int M = 5;
此时M对应的是一块不可写的内存空间，运行阶段才能知道M的大小。M不能作为数组的长度也不能作为case的标签！

标识符和关键字

标识符

程序员给变量、函数、宏等起的名字。

规则：

• 标识符只能包含数字、下划线和字母
• 标识符不能以数字开头

规范：核心是要达到见名知义的效果，常用驼峰命名法。

关键字

对C语言有特殊含义的名称

可以在此网站内查询：cppreference

输入输出模型

核心矛盾：CPU、内存和I/O设备处理数据的速度存在很大的差异！我们可以形象的描述为：CPU一天，内存一年；内存一年，I/O十年。(假设 CPU 执行一条普通指令需要一天，那么 CPU
读取内存就需要一年；假设内存之间传递单位数据需要一天，那么内存与 IO 设备之间传递单位数据就需要十年)。

木桶原理：一个木桶能装多少水，取决于该木桶最短的木板。
CPU与内存之间的差异可以通过高速缓存、TLB、编译器优化...来进行缓解；
内存与I/O直接按的差异可以通过缓冲区（buffer）、缓存（cache）...来进行缓解。

为了平衡这三者之间的差异，一个有效的手段是引入缓存。缓存在计算机世界中是随处可见的，如下图所示：

格式化输出printf

原型：int printf(格式化字符串,表达式1,表达式2,...);

作用：显示格式化字符串中的内容，并在格式化字符串指定的位置插入相应表达式的值。

转换说明的作用：

• 编码（以什么样的方式解释这片内存空间的数据）
• 控制输出格式

转换说明的格式：

最小字段宽度（m）：指定最少要占用的宽度
精度 (precision) p 的含义依赖于转换说明符 (conversion specifier) X 的选择。X 指示对数值进行哪种转换。常用的转换说明符有以下几个：

• d —— 表示十进制整数。p 表示待显示数字的最小个数 (必要时在数字前面补 0)；如果省略 p，则默认为1。
• f —— 表示“定点十进制”形式的浮点数。p 表示小数点后数字的个数 (默认为 6)。如果 p 为 0，则不显示小数点。

示例：

printf的返回值：输出字符的个数
示例：

则i = 13。

格式化输入scanf

原型：int scanf(格式化字符串,表达式1,表达式2,...);

scanf的本质：其本质是一个“模式匹配”函数，它试图将你输入的数据与格式化字符串进行匹配。
scanf的工作原理：从左往右依次匹配格式化字符串，如果匹配成功，则继续往下匹配，否则立即返回。
示例：

转换说明的作用：

• 表示匹配规则
• 表示如何将字符数据（从键盘输入的数据）转化为对应的二进制数据（编码）
  

常用的转换说明：
%d：匹配有符号的十进制整数；%f：匹配浮点数，以上两种转换说明均会匹配前置的空白字符。
示例：

scanf的返回值：成功匹配的转换说明的个数。

基本数据类型

• 整数类型
• 浮点数类型
• 字符类型

整数类型

• 无符号整数
• 有符号整数

short (int)
unsigned short (int)

int
unsigned (int)

long (int)
unsigned long (int)

long long (int)
unsigned long long (int)

注意事项:

• C语言没有明确规定整数类型的大小，可能随着机器的不同而不同
• C语言规定了各个整数类型的最小大小：int ≥ 2bytes，long ≥ 4bytes，long long ≥ 8bytes
• C语言规定各个整数类型的大小顺序：short ≤ int ≤ long ≤ long long

编码

• 无符号整数->二进制编码
  示例：
  

• 有符号整数->补码
  示例：
  

有符号整数为什么要用补码进行编码？
答：因为这样可以利用加法器做减法运算。即：a-b = a+(-b)

计算机运算的时候都是以补码的方式运算的。

计算示例

特例：1111 1111(补码) = -2^7 + 2^6 + ... + 2^0 = -2^7 + (2^7 - 1) = -1

数学原理：模运算、抽象代数

整数字面值

三种表示方式：

• 十进制：1234
• 八进制：以0开头，0125
• 十六进制：以0x开头，0xFF

例：

整数字面值的类型：

• 十进制：int -> long -> long long -> unsigned long long -> 报错
• 八进制、十六进制：int -> unsigned int -> long -> unsigned long ->long long -> unsigned long long -> 报错

程序员可以通过添加后缀来指定整数字面值的类型：

• U(u) -> unsigned:43U
• L(l) -> long:43L
• LL(ll) -> long long:43LL
• 混合使用：43ULL

注意事项：添加后缀时用大写（以免l看成1）

读写整数类型

• %d：decimal , 读写有符号的十进制整数
• %u：unsigned , 读写无符号的十进制整数
• %o：octal , 读写无符号的八进制整数
• %x：hexdecimal , 读写无符号的十六进制整数
• 读写short：在u、o、x、d的前面加 h
• 读写long：在u、o、x、d的前面加 l
• 读写long long：在u、o、x、d的前面加 ll

浮点数类型

• float
• double
• long double（用于高精度的数值计算中，一般用不到）

编码（IEEE754标准）

以float为例：

Sign（S）：符号位，0正1负
Exponent（E）：指数位，其真实值要减去127（2^7 - 1），故可以表示的范围是-127 ~ 128，可以表示的指数范围是-126 ~ 127，其中-127（全0）和128（全1）有特殊用途。
Fraction（F）：小数部分

三个特殊值：

• E：0000 0000，F：0000 0000，表示 ±0
• E：1111 1111，F：0000 0000，表示 ±∞
• E：1111 1111，F：不全为 0，表示 NaN（Not a Number）

规范数

指数范围 E∈[0000 0001 , 1111 1110]

非规范数

E：0000 0000，F：不全为0
表示十分接近于 0 的数，非规范数的绝对值都比规范数的绝对值小

示例，计算float能表示的最小正数和最大正数：

double类型

Sign（S）：符号位，0正1负
Exponent（E）：指数位，其真实值要减去1023（2^10 - 1），故可以表示的范围是-1023 ~ 1024，可以表示的指数范围是-1022 ~ 1023，其中-1023（全0）和1024（全1）有特殊用途。
Fraction（F）：小数部分

double类型的最大正数：
s = 0,E = 1023,F = 1111...1(52个1)。
最大正数 = (-1)^0 * 1.1111...1 * 2^1023 约等于 2^1024

double类型的最小正数：
s = 0,E = -1022,F = 0000...01(51个0).
最小正数 = (-1)^0 * 0.0000...01 * 2^-1022 = 1 * 2^-52 * 2^-1022 = 2^-1074

浮点数的字面值
表示方法：要么包含字母e，要么包含小数点。
例：

浮点数的字面值默认为double，如果要表示float类型，在浮点数末尾加F(f)。

读写浮点数

总结