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1 Introduction to Computer and Program Design Lesson 2 Basic Data Types James C.C. Cheng Department of Computer Science National Chiao Tung University

2 The basic data types 變數 (variable) 是甚麼? 變數代表了一塊可以記錄資料的記憶體空間, 我可以透過變數的名稱對這塊記憶體空間進行讀取寫入資料的動作任何變數在使用前都必須被宣告過宣告一個變數時, 你必須明確的指出變數的資料型態 (data type) 是甚麼, 以及變數的名稱是甚麼? 為什麼有資料型態? 因為這樣才能決定變數要記憶體多少空間. int x = 1000; short y = 100; char c1 = A, c2 = B ; float f = f; double d = ; address (in byte) data(4 byte, 32bit) Byte0, Byte1, Byte2, Byte3 26E81E00 E E81E E81E E 3F 26E81E0C 6E 86 1B F0 26E81E10 F

3 電腦的計量單位 1 位元 bit = {0, 1} 1 nibble = 4 bit 1 位元組 byte = 1 word = 8 bit 1 Kbyte(kilo) = 2 10 byte = 1024 byte 1 Mbyte(mega) = 2 10 Kbyte = 2 20 byte 1 Gbyte(giga) = 2 10 Mbyte = 2 20 Kbyte = 2 30 byte 1 Tbyte(tera) = 2 10 Gbyte 1 Pbyte(peta) = 2 10 Tbyte 1 Ebyte(exa) = 2 10 Pbyte 1 Zbyte(zetta) = 2 10 Ebyte 1 Ybyte(yotta) = 2 10 Zbyte 3

4 The basic data types 在 C 語言中, 共有 13 種基本資料型態可以使用 Name Size (byte) Range char to 127 unsigned char 1 0 to 255 short to unsigned short 2 0 to int to unsigned int 4 0 to long to unsigned long 4 0 to int64, long long to unsigned int to float 4 ±( e -38 to e 38 ) double 8 ±( e -308 to e 308 ) long double 12 in DevC++, 8 in MSC The same as double C++ 另外又提供一種新的資料型態 bool 用來表示布林值 boolean value, 也就是 true or false bool 的 size 每家 Compiler 皆不同, 大部分是 1 個 byte. 4

5 The basic data types 如何知道一個變數佔了多少記憶體空間? sizeof 用法 : size_t sizeof( name ); 其中 size_t 在一般的個人電腦是 unsigned int sizeof(type name) ex: sizeof(int); sizeof(double); sizeof(variable name) ex: int x; sizeof(x); double d; sizeof(d);

6 練習題 把 C++ 共有 14 種基本資料型態 ( 包含 bool) 利用 sizeof, 請把他們所佔的記憶體空間顯示在螢幕上, 例如 char 1byte int 4 byte unsigned int 4 byte 6

7 Integers 屬於整數的資料型態有 : bool, char, short, int, long, int64 unsigned char, unsigned short, unsigned int, unsigned long, unsigned int64 7

8 Integers 十進位系統 Decimal system 每個 digit 由 0~9 表示 = ( 3 x 10 3 ) + ( 4 x 10 2 ) + ( 7 x 10 1 ) + ( 2 x 10 0 ) 二進位系統 Binary system 每個 digit 由 0 and1 表示 = (1 x 2 3 ) 10 + (0 x 2 2 ) 10 + (1 x 2 1 ) 10 + (1 x 2 0 ) 10 = = 1 2 ; 1+1 = 10 2 十六進位系統 Hexadecimal system 每個 digit 由 0~9, A, B, C, D, E and F 表示 3A7C = (3 x 16 3 ) 10 + (10 x 16 2 ) 10 + (7 x 16 1 ) 10 + (12 x 16 0 ) 10 = (2+7) 16 = 9 16 ; (1+9) 16 = A 16 ; (2+B) 16 = D 16 ; (9+9) 16 =

9 Integers 將二進位轉成 16 進位 由右至左, 將每四個二進位的 digit 分類 = 0011,0011,1010,1101 參照右表來轉 16 進位 0011,0011,1010,1101 = 33AD Hex Binary A 1010 B 1011 C 1100 D 1101 E 1110 F

10 Integers 無號整數 Unsigned Integer 1 bit: 0, 1 4 bit: 0 ~ (2 4 1) 10 = 0 ~ byte: 0 ~ (2 8 1) 10 = 0 ~ byte: 0 ~ (2 16 1) 10 = 0 ~ 65, byte: 0 ~ (2 32 1) 10 = 0 ~ 4,294,967,

11 Integers 有號整數 Signed integer 假設我們要用一個 byte 來表示一個有號整數 方法 1: sign bit Sign bit = -27 = 27 可表示的整數範圍 : ( 0 ~ 2 7 1) = (0 ~ 127) 優點 : 簡單 缺點 : 會有負零 不能做加法及減法 1001, , = 1011, = -54!? 11

12 Data representation 有號整數 Signed integer 方法 2: 1 的補數 (one s complement) 27 = 0001, = -(0001, ) 0/1 反轉 1110, 可表示的整數範圍 : ( 0 ~ 2 7 1) = (0 ~ 127) 優點 : 簡單 可做加法及減法 1110, , = 1111, = , , = 1110, = -26 缺點 : 會有負零 12

13 Data representation 有號整數 Signed integer 方法 3: 2 的補數 (two s complement) 27 = 0001, = 1,0000, , = 1110, 可表示的整數範圍 : ~ -1, 0, 1 ~ (2 7 1) = -128 ~ 127 優點 : 不會有負零 可做加法及減法 1110, , = 1,0000, (max 8 bit) = 0000, = , , = 1110, = -(1,0000, , ) = -(0001,1010) = -26 缺點 : 轉換需要一點時間 但是一般電腦都有硬體支援, 所以這已不算缺點了 13

14 Integers 常數 constants: bool bt = true, bf = false, btrue = 5438, bfalse = 0; false 就是零 ; true 就是非零的整數. char ca = A, cb = 66, cc= 65603, cd = 0x43, ce = 0105, center = \n ; 十六進位常數 Hex constant: 在整數常數前面加上 0x 八進位常數 Octal constant: 整數常數前面加上 0 short i = 10, j = 32767, k = , s = 32768, t = ; int x = 10, y = -100, z = 0x02AB2F; int nmax = ; int nmina = ; // It causes a warning message int nminb = ( ); // OK! 所有整數常數都會被視為 int. 負整數常數是由負號加上正整數常數. 所以, int x = int x = - ( ) 14

15 Integers 常數 constants: long n = 120, m = 12345L, a = 0xFFFFL; 長整數常數 : 在數字後面加上 L int64 nn = 10, mm = LL; 長整數常數 : 在數字後面加上 LL 以 printf 方式印出 64-bit integer: int64 nn = 10; long long mm = LL ; printf("%lld, %I64d \n", nn, mm); // OK, using ll or I64 /* 注意是小寫的 l 大寫 L 代表 long double float point number */ printf( %d, %I64d \n, nn, mm); // The output is not correct! 15

16 Integers 常數 constants: unsigned char, unsigned short and unsigned int unsigned char uc = -1; unsigned short us = -1; unsigned int ui = -1; cout << (int)uc << endl; cout << us << endl; cout << ui << endl; unsigned long : 數字後面加上 UL unsigned long un0 = 123UL, un1 = -1UL; unsigned int64 : In Dev C++, 數字後面加上 LLU In VC++, 數字後面加上 ULL unsigned long long unn0 = 123LLU, unn1 = -1LLU; 16

17 Integers 型態轉換 typecast 小會配合大 small large short s1 = 10; int n1 = 0xFF0000; if(n1 > s1) cout << "Hello"; // short 會變成 int long long nn = 0x7FFFFFFF ULL; if(nn > n1) cout << "World! << endl; // int 會變成 int64 有號會配合無號 signed unsigned unsigned int u= 0; int i = -1; if(i>u) cout << "-1 > 0 << endl; // int 會變成 uint 17

18 Float point numbers 單精度浮點數 float, 32-bit IEEE-754 float point number 雙精度浮點數 double, 64-bit IEEE-754 float point number 加長 (?) 雙精度浮點數 long double, ANSI-C 並未制訂此標準, 因此, 請勿使用! 在 VC++, long double = double 在 Dev C++, long double 是 12 byte, 但是只會用到 8 byte, 所以用處等同 double 18

19 Float point numbers 為什麼 IEEE 要設計浮點數的儲存格式? 實數未必能轉成二進位碼 = ( 3 x 10-1 ) + ( 4 x 10-2 ) + ( 7 x 10-3 ) + ( 2 x 10-4 ) = (1 x 2-1 ) 10 + (0 x 2-2 ) 10 + (1 x 2-3 ) 10 + (1 x 2-4 ) 10 = = =?? 2 19

20 Float point numbers IEEE 754 (The IEEE Standard for Floating-Point Arithmetic) IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers 國際電子電機學會 32-bit IEEE-754 浮點數的儲存格式 正負號 (Sign): 1bit 指數部分 (Exponent): 8 bit ( 偏移量是 127) 小數部分 (Fraction or mantissa): 23 bit 64-bit IEEE-754 浮點數的儲存格式 : 正負號 (Sign): 1bit 指數部分 (Exponent): 11 bit ( 偏移量是 1023) 小數部分 (Fraction or mantissa): 52 bit mantissa 20

21 Float point numbers IEEE 754 (The IEEE Standard for Floating-Point Arithmetic) Example: = = * 2 3 For 32 bit float: = (-1) 0 * * Sign = 0 Exponent = 130 = Fraction = For 64 bit float: = (-1) 0 * * Sign = 0 Exponent = 1026= Fraction =

22 = Float point numbers 浮點數的加法與減法 = = (-1) 0 * 2 3 * (-1) 0 * 2-3 * = 2 3 * * 2-6 * = 2 3 * * = 2 3 * = = = (-1) 0 * 2 3 * (-1) 1 * 2-3 * = 2 3 * (-1) * 2 3 * 2-6 * = 2 3 * (-1) * 2 3 * = 2 3 * * } 2's complement =2 3 * (Overflow) 2 3 *

23 Float point numbers 捨去與進位 Truncation and Rounding Example: = 1,0010,1101,0110,1000, ,0011, = ,1101,0110,1000, ,0011, * 2 20 For 32 bit float: = (-1) 0 * ,1101,0110,1000, ,0011, * Sign = 0 Exponent = 147 = Fraction (23 bit) = 0010,1101,0110,1000, ,0011, Truncation = 0010,1101,0110,1000, Rounding ( ) = 1,0010,1101,0110,1000, ,0110,0110,... 2 = ,1101,0110,1000, ,0110, * 2 20 For 32 bit float: = (-1) 0 * ,1101,0110,1000, ,0110, * Sign = 0 Exponent = 147 = Fraction (23 bit) = 0010,1101,0110,1000, ,0110, Truncation = 0010,1101,0110,1000, ( ) 23

24 Float point numbers Floating point: IEEE 754 Float Values (b = bias) Sign Exponent (e ) Fraction (f ) Value ~ Positive Denormalized Real f 2 (-b+1) ~ XX..XX Positive Normalized Real f 2 (e-b) Infinity ~ NaN 24

25 Float point numbers Floating point: IEEE 754 Sign Exponent (e) Fraction (f) Value ~ Negative Denormalized Real f 2 (-b+1) ~ XX..XX Negative Normalized Real f 2 (e-b) Infinity ~ NaN 25

26 Float point numbers 浮點數的常數表示法 : float f = f; 在數字後加上 f double r0 = , r1 = 123, r2 = 0x64, r3 = 123LLU; 任何形式的數值常數皆可視為 double 浮點數的型態轉換 int float float fx = 33.3f; cout << fx * 2 / 3 << endl; float double #include <float.h> float fx = 0.0f; double dx = fx + DBL_MIN; cout << dx << endl; 26

27 Float point numbers 千萬不可直接判斷一個浮點樹是否等於零 float A = f; float B = f; if(a * f - B == 0.0) cout << "!" << endl; else cout << A * f << endl; 27

28 字元 characters 字元是 1byte (8bit) 的整數 通常用來存放 ASCII (American Standard Code for Information Interchange) 碼 '0'~'9': 48~57 'A'~'Z': 65~90 'a'~'z': 97~122 其他 ASCII 碼請參考 字元的常數表示法 用單引號 ' char a = 'A'; cout << a << endl; a = '9'; cout << a << endl; a = 'xyz'; cout << a << endl; char a = 50, b = 70, c= 100; cout << a << b << c << endl; 28

29 字元 characters 特殊功能的字元常數 '\n': newline 換行 '\t': Tab '\b': backspace 倒退 '\r': return key 游標歸零 '\'': 單引號 '\"': 雙引號 '\\': 反斜線 '\0': 空字元 '\ 三位數整數 ': 以八進位數字直接表示 ASCII '\x 整數 ': 以十六進位數字直接表示 ASCII char a = 'X', b = '\t', c= 'Y', d = '\n'; char e = '\050', f = '\'', g = '\"', h = '\\'; cout << a << b << c << d << e << f <<g << h << endl; a = '\x41'; b = '\b'; cout << a << a << a << b << ' ' << endl; 29

30 字串 C-style strings 字串是一個字元的陣列 (characters array), 也就是一整串連續的字元集合 字串最後一個字必須是 \0, 也就是內部數值為零的字元 字串的常數表示法 : 用雙引號 " 字串的宣告有三種, 各有不同用途, 如下例 : char s1[5] = "abcd"; // 以陣列方式宣告 char s2[] = "xyz"; // 也是以陣列方式宣告 char* s3 = "uvw"; // 以字元指標方式宣告 cout << s1 << s2 << s3 << endl; 字串在宣告時的初始值設定有很多變化, 要小心使用 : char s1[5] = "abcd"; char s2[5] = { 'A', 'B', 'C', 'D', 0}; char s3[] = "xyz"; char s4[] = { 'X', 'Y', 'Z', 0}; char* s5 = "uvw"; s1[0] = 'T'; // OK! s5[0] = 'T'; // Runtime error char* s6 = { 'U', 'V', 'W', 0}; // Compiler error 30

31 C-style strings 宣告後的字串, 請小心使用等號 char s1[] = "abcd"; char s2[] = "ABCD"; s1 = s2; // Compiling error! 任何陣列的名稱都不可為左值 ( 放在等號左邊 ) char *s1 = "abcd"; char s2[] = "ABCD"; cout << s1 << s2 << endl; s1 = s2; // 但是指標可以為左值 cout << s1 << s2 << endl; // ABCD, ABCD s2[0] = 'T'; // 但是要小心邊際效應 ( 改了一個地方卻也會影響別人 ) cout << s1 << s2 << endl; // TBCD, TBCD 31

32 型態轉換 Typecast 在 C 語言任何兩變數皆可以互相轉換 用法 : Ex: x = (x 的型態名稱 ) y; int n = 1234; float f = (float) n; char c = (char) f; double d = (double) c; 32

33 #define 用途 : 以名稱來定義一個常數 用法 : #define 常數名稱 compiler 會在編譯程式碼之前, 將程式碼中所有你定義的名稱替換成對應的常數. Ex: #define PI #define EXP #define NULL_STR double p = PI; cout << p << endl; // cout << EXP << endl; // cout << NULL_STR << endl; // Compile Error cout << NULL_STREXP<< endl; // Compile Error cout << NULL_STR EXP << endl; //

34 #define Macro, 巨集 Ex: #define MIN_INT(x) ( ) #define INC(x) (++x) #define ADD(x, y) (x+y) #define MIN(x, y) (x<y?x:y) #define _MIN(x, y) x<y?x:ytice 請注意括號! float x = PI * MIN(2.0f, 3.0f); // x = float y = PI * _MIN(2.0f, 3.0f); // y = 3.0!? 34

35 #define 請勿使用 #define 來定義一個資料型態 Ex: #define uint unsigned int uint a, b ; // OK! a and b are unsigned int char *s1 = " Hello ", *s2 = " World "; // 若要宣告兩個字串, 每個字串名稱前都要加上 * #define CSTR char * CSTR s3 = " OK ", s4 = " oops "; // s4 不是字串! Compiler error! 35

36 typedef 請使用 typedef 來定義一個資料型態 用法 : typedef 原來的資料型態名稱 新的資料型態名稱 ; EX: 注意要加分號 typedef unsigned int uint; uint a, b ; // OK! a and b are unsigned int typedef char * cstr; cstr sa = Hello", sb = world!"; printf("%s, %s\n", sa, sb ); // OK! 36