C++初学者指南第一步—4.基本类型

基本类型是所有复杂类型（如列表、哈希映射、树、图等）的基本构建块。

1.变量声明

变量声明的基本语法

type variable = value;
type variable {value}; C++11

// 声明 & 初始化 'i':
int i = 1;
// 打印‘i’的值:
cout << i << '\n';  
int j {5};
cout << j << '\n';

注意：基本类型的变量默认不会被初始化！

int k;  // k不会被初始化!
cout << k << '\n';  // k可能是任何值

因为在c++中，你只需要为你使用的内存付出代价(大内存块的初始化可能相当昂贵)。
注意：但是： 在声明变量时，你几乎总是需要对其进行初始化，以防止出现bug！

2.快速概览

Booleans 布尔型

bool b1 = true;
bool b2 = false;

Characters 字符型

• 最小整数；通常为1字节
• 在x86/x86_64平台上，signed（有符合） 类型值的范围为[-128,127]。

Signed Integers 有符号整数

n bits ⇒ values ∈ [$-2^{n-1}$, $2^{n-1}$-1]
n位数 ⇒ 值属于 [$-2^{n-1}$，$2^{n-1}$-1] 的范围

short s = 7;        
int   i = 12347;
long  l1 = -7856974990L;
long long  l2 = 89565656974990LL;
// ' C++14增加的数字分隔符，
long l3 = 512'232'697'499;

Unsigned Integers 无符号整数

n bits ⇒ values ∈ [0, $2^{n-1}$]
n位数 ⇒ 值属于 [0, $2^{n-1}$] 的范围

unsigned u1 = 12347U; 
unsigned long u2 = 123478912345UL;  
unsigned long long u3 = 123478912345ULL;  
// 非10进制
unsigned x = 0x4A;        // 16进制
unsigned b = 0b10110101;  // 二进制 C++14

Floating Point Types 浮点数类型

• float 通常为IEEE 754格式32位。
• double 通常为IEEE 754格式64位。
• long double 在x86/x86-64上通常为80位。

float       f  = 1.88f;
double      d1 = 3.5e38;
long double d2 = 3.5e38L; C++11
// ' digit separator C++14
double d3 = 512'232'697'499.052;

3.Common Number Representations 常用的数字表示常用数字的表示方法

浮点数工具：值映射的交互式可视化工具

4.Arithmetic Operations 算术运算

• 表达式 a ⊕ b 返回操作⊕应用于 a 和 b值的结果
• 表达式 a ⊕= b 存储 a中操作⊕的结果

代码	注释
int a = 4; int b = 3;	变量a设置为值4 变量b设置为值3
a = a + b; a += b;	a: 7 加法运算 a: 10
a = a - b; a -= b;	a: 7 减法运算 a: 4
a = a * b; a *= b;	a: 12 乘法运算 a: 36
a = a / b; a /= b;	a: 12 除法运算 a: 4
a = a % b;	a: 1 除法余数运算（取模）

Increment/Decrement 递增/递减

• 将值更改为递增1/递减 1
• 前缀表达式 ++x / --x 返回新的(递增/递减)值
• 后缀表达式 x++ / x-- 增加/减少值，但返回旧值

代码	注释
int a = 4; int b = 3;	a: 4 b: 3
b = a++; b = ++a;	a: 5 b: 4 a: 6 b: 6

5.Comparisons 比较运算

2-way Comparisons 二元比较

比较结果为 true 或 false

代码	注释
int x = 10; int y = 5;
bool b1 = (x == 5); bool b2 = (x != 6);	false 相等比较 true 不相等比较
bool b3 = x > y; bool b4 = x < y; bool b5 = y >= 5; bool b6 = x <= 30;	true 大于比较 false 小于比较 true 大于等于比较 true 小于等于比较

3-Way Comparisons With <=> 三元比较用<=> C++20

确定 2 个对象的相对顺序：
(a <=> b) < 0 如果 a < b
(a <=> b) > 0 如果 a > b
(a <=> b) == 0 如果 a 和 b 相等

• 三元比较返回一个可与字面量 0 比较的比较类别值
• 返回的值来自三种可能的类别之一:std::strong_ordering、std::weak_ordering 或 std::partial_ordering

4 <=> 6 → std::strong_ordering::less
5 <=> 5 → std::strong_ordering::equal
8 <=> 1 → std::strong_ordering::greater

6.布尔型逻辑运算

操作符

bool a = true;
bool b = false;
bool c = a && b;   // false    逻辑与 AND
bool d = a || b;   // true     逻辑或 OR
bool e = !a;       // false    逻辑非 NOT
// 备选的拼写:
bool x = a and b;  // false
bool y = a or b;   // true
bool z = not a;    // false

转换为布尔型

• 0 始终为 false;
• 其他一切都是true;

bool f = 12;   // true   (int → bool)
bool g = 0;    // false  (int → bool)
bool h = 1.2;  // true   (double → bool)

短路求值

如果出现以下情况，则不计算布尔比较的第二个操作数 在计算第一个操作数后，结果已经知道了。

int i = 2;  
int k = 8;
bool b1 = (i > 0) || (k < 3);

i > 0 已经是true ,k < 3不计算，因为逻辑或的结果已经是true。

7.基础类型的内存大小

所有类型大小都是 sizeof（char） 的倍数

cout << sizeof(char);   // 1
cout << sizeof(bool);   // 1
cout << sizeof(short);  // 2
cout << sizeof(int);    // 4
cout << sizeof(long);   // 8
// number of bits in a char
cout << CHAR_BIT;   // 8
char   c = 'A';
bool   b = true;
int    i = 1234;
long   l = 12;
short  s = 8;

大小取决于平台
C++仅提供基本保证

• sizeof(short) ≥ sizeof(char)
• sizeof(short) ≥ sizeof(char)
• sizeof(int) ≥ sizeof(short)
• sizeof(int) ≥ sizeof(short)
• sizeof(long) ≥ sizeof(int)
• sizeof(long) ≥ sizeof(int)

例如，在某些 32 位平台上： int = long

整数大小保证  C++11

#include <cstdint>

• 精确尺寸（在某些平台上不可用）
  int8_t,   int16_t,   int32_t,   int64_t,   uint8_t, …
• 保证最小尺寸
  int_least8_t,   uint_least8_t, …
• 速度最快且保证最小尺寸
  int_fast8_t,   uint_fast8_t, …

固定宽度浮点类型保证  C++23

#include <stdfloat>

// storage bits: sign + exponent + mantissa(存储位: 符号 + 指数 + 尾数)
std::float16_t  a = 12.3f16;   // 1 +  5  +  10 =  16 bits =  2 B
std::float32_t  b = 12.3f32;   // 1 +  8  +  23 =  32 bits =  4 B
std::float64_t  c = 12.3f64;   // 1 + 11  +  52 =  64 bits =  8 B
std::float128_t d = 12.3f128;  // 1 + 15  + 112 = 128 bits = 16 B
std::bfloat16_t e = 12.3b16;   // 1 +  8  +   7 =  16 bits =  2 B

8.std::numeric_limits （数值范围模板类）

#include <limits>
// smallest negative value:（double类型的最小负值）
cout << std::numeric_limits<double>::lowest();
// float/double: smallest value > 0 （float/double类型的最小正值）
// integers: smallest value
cout << std::numeric_limits<double>::min();
// largest positive value:（可以表示的最大正值）
cout << std::numeric_limits<double>::max();
// smallest difference btw. 1 and next value:（1和下一个值之间最小差值，用于浮点数比较）
cout << std::numeric_limits<double>::epsilon();
…

cppreference：数值限制

9.Type Narrowing类型缩小（类型窄化）

• 从可以表示更多值的类型转换为可以表示更少值的类型
• 可能会导致信息丢失
• 一般来说，没有编译器警告——默默地发生
• 隐藏的潜在运行时错误来源

double   d = 1.23456;
float    f = 2.53f;
unsigned u = 120u;
double e = f;  // OK  float → double
int i = 2.5;   // 缩小 double → int
int j = u;     // 缩小 unsigned int → int
int k = f;     // 缩小 float → int

10.花括号初始化（统一初始化）C++11

type variable { value };

• 适用于所有基本类型
• 缩小转换 ⇒ 编译器警告

double   d {1.23456};  // OK
float    f {2.53f};    // OK
unsigned u {120u};     // OK
double e {f};  // OK float → double
int i {2.5};   //  COMPILER WARNING: double       → int
int j {u};     //  COMPILER WARNING: unsigned int → int
int k {f};     //  COMPILER WARNING: float        → int

注意：确保防止静默类型转换，特别是将无符号整数转换缩小为有符号整数转换——它们会导致难以发现的运行时错误!

11.位运算

Bitwise Logic 按位逻辑运算

表达式	说明
a & b	AND按位与
a | b	OR按位或
a ^ b	XOR按位异或
~a	NOT按位反（反码）

#include <cstdint>
std::uint8_t a = 6;  
std::uint8_t b = 0b00001011;
std::uint8_t c1 = (a & b);  // 2
std::uint8_t c2 = (a | b);  // 15
std::uint8_t c3 = (a ^ b);  // 13
std::uint8_t c4 = ~a;       // 249
std::uint8_t c5 = ~b;       // 244
// test if int is even/odd:
bool a_odd  = a & 1;
bool a_even = !(a & 1);
memory bits:
0000 0110
0000 1011
0000 0010
0000 1111
0000 1101
1111 1001
1111 0100
result:
0 ⇒ false
1 ⇒ true

Bitwise Shifts 按位移位

表达式	说明
x << n	返回 x 的值，其位向左移动 n 位
x >> n	返回 x 的值，其位向右移动 n 位
x <<= n	通过向左移动 n 位来修改 x
x >>= n	通过向右移动 n 位来修改 x

#include <cstdint>
std::uint8_t a = 1;
a <<= 6;  // 64
a >>= 4;  // 4
std::uint8_t b1 = (1 << 1);  // 2
std::uint8_t b2 = (1 << 2);  // 4
std::uint8_t b3 = (1 << 4);  // 16

memory bits:
0000 0001
0100 0000
0000 0100
0000 0010
0000 0100
0001 0000

注意：把一个数据类型为N位的对象移动N位或更多位是未定义行为!

std::uint32_t i = 1;  // 32 bit type
i <<= 32;   未定义行为!
std::uint64_t j = 1;  // 64 bit type
j <<= 70;   未定义行为!

12.算术转换和提升

很遗憾,这里有一大堆规则(可以追溯到C语言)的目的是确定二元运算的两个操作数和结果的共同类型
Operand A ⊕ Operand B → Result

简单总结

涉及至少一种浮点类型的运算

• long double ⊕ any other type → long double
• double ⊕ float → double
• double ⊕ any integer → double
• float ⊕ any integer → float

两种整数类型的运算

1. 先对两个操作数执行整数提升：基本上任何小于int的值都会被提升为int或unsigned int(取决于哪一种类型可以表示未提升类型的所有值)
2. 如果两个操作数类型不同，则应用整数转换：

• 两个有符号:较小类型转换为较大类型
• 两个无符号:较小类型转换为较大类型
• 有符号 ⊕ 无符号：
  1. 如果两者位宽相同,有符号转换为无符号
  2. 否则,如果无符号类型可以表示有符号类型的所有值,无符号转换为有符号
  3. 否则,两者都转换为无符号

附上原文链接
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