2.1. Простые встроенные типы.

В языке С++ определен набор базовых типов, включая арифметические типы (arithmetic type), и специальный тип void. Арифметические типы представляют символы, целые числа, логические значения и числа с плавающей запятой. С типом void не связано значений, и применяется он только при некоторых обстоятельствах, чаще всего как тип возвращаемого значения функций, которые не возвращают ничего.

2.1.1. Арифметические типы.

Есть две разновидности арифметических типов: целочисленные типы (включая символьные и логические типы) и типы с плавающей запятой.

Размер (т.е. количество битов) арифметических типов зависит от конкретного компьютера. Стандарт гарантирует минимальные размеры, перечисленные в табл. 2.1. Однако компиляторы позволяют использовать для этих типов большие размеры. Поскольку количество битов не постоянно, значение одного типа также может занимать в памяти больше или меньше места.

Таблица 2.1. Арифметические типы языка С++

Тип	Значение	Минимальный размер
bool	Логический тип	Не определен
char	Символ	8 битов
wchar_t	Широкий символ	16 битов
char16_t	Символ Unicode	16 битов
char32_t	Символ Unicode	32 бита
short	Короткое целое число	16 битов
int	Целое число	16 битов
long	Длинное целое число	32 бита
long long	Длинное целое число	64 бита
float	Число с плавающей запятой одинарной точности	6 значащих цифр
double	Число с плавающей запятой двойной точности	10 значащих цифр
long double	Число с плавающей запятой повышенной точности	10 значащих цифр

Тип bool представляет только значения true (истина) и false (ложь).

Существует несколько символьных типов, большинство из которых предназначено для поддержки национальных наборов символов. Базовый символьный тип, char, гарантировано велик, чтобы содержать числовые значения, соответствующие символам базового набора символов машины. Таким образом, тип char имеет тот же размер, что и один байт на данной машине.

Остальные символьные типы, wchar_t, char16_t и char32_t, используются для расширенных наборов символов. Тип wchar_t будет достаточно большим, чтобы содержать любой символ в наибольшем расширенном наборе символов машины. Типы char16_t и char32_t предназначены для символов Unicode. (Unicode — это стандарт для представления символов, используемых, по существу, в любом языке.).

Остальные целочисленные типы представляют целочисленные значения разных размеров. Язык С++ гарантирует, что тип int будет по крайней мере не меньше типа short, а тип long long — не меньше типа long. Тип long long введен новым стандартом.

Машинный уровень представления встроенных типов. Компьютеры хранят данные как последовательность битов, каждый из которых содержит 0 или 1: 00011011011100010110010000111011 ... Большинство компьютеров оперируют с памятью, разделенной на порции, размер которых в битах кратен степеням числа 2. Наименьшая порция адресуемой памяти называется байтом (byte). Основная единица хранения, обычно в несколько байтов, называется словом (word). В языке С++ байт содержит столько битов, сколько необходимо для содержания символа в базовом наборе символов машины. На большинстве компьютеров байт содержит 8 битов, а слово — 32 или 64 бита, т.е. 4 или 8 байтов. У большинства компьютеров каждый байт памяти имеет номер, называемый адресом (address). На машине с 8-битовыми байтами и 32-битовыми словами слова в памяти можно было бы представить следующим образом: 736424 0 0 1 1 1 0 1 1 736425 0 0 0 1 1 0 1 1 736426 0 1 1 1 0 0 0 1 736427 0 1 1 0 0 1 0 0 Слева представлен адрес байта, а 8 битов его значения — справа. При помощи адреса можно обратиться к любому из байтов, а также к набору из нескольких байтов, начинающемуся с этого адреса. В этом случае говорят о доступе к байту по адресу 736424 или о байте, хранящемуся по адресу 736426. Чтобы получить представление о значении в области памяти по данному адресу, следует знать тип хранимого в ней значения. Именно тип определяет количество используемых битов и то, как эти биты интерпретировать. Если известно, что объект в области по адресу 736424 имеет тип float, и если тип float на этой машине хранится в 32 битах, то известно и то, что объект по этому адресу охватывает все слово. Значение этого числа зависит от того, как именно машина хранит числа с плавающей запятой. Но если объект в области по адресу 736424 имеет тип unsigned char, то на машине, использующей набор символов ISO-Latin-1, этот байт представляет точку с запятой.

Типы с плавающей точкой представляют значения с одиночной, двойной и расширенной точностью. Стандарт определяет минимальное количество значащих цифр. Большинство компиляторов обеспечивает большую точность, чем минимально определено стандартом. Как правило, тип float представляется одним словом (32 бита), тип double — двумя словами (64 бита), а тип long double — тремя или четырьмя словами (96 или 128 битов). Типы float и double обычно имеют примерно по 7 и 16 значащих цифр соответственно. Тип long double зачастую используется для адаптации чисел с плавающей запятой аппаратных средств специального назначения; его точность, вероятно, также зависит от конкретной реализации этих средств.

Знаковые и беззнаковые типы.

За исключением типа bool и расширенных символьных типов целочисленные типы могут быть знаковыми (signed) или беззнаковыми (unsigned). Знаковый тип способен представлять отрицательные и положительные числа (включая нуль); а беззнаковый тип — только положительные числа и нуль.

Типы int, short, long и long long являются знаковыми. Соответствующий беззнаковый тип получают добавлением части unsigned к названию такого типа, например unsigned long. Тип unsigned int может быть сокращен до unsigned.

В отличие от других целочисленных типов, существуют три разновидности базового типа char: char, signed char и unsigned char. В частности, тип char отличается от типа signed char. На три символьных типа есть только два представления: знаковый и беззнаковый. Простой тип char использует одно из этих представлений. Какое именно, зависит от компилятора.

В беззнаковом типе все биты представляют значение. Например, 8-битовый тип unsigned char может содержать значения от 0 до 255 включительно.

Стандарт не определяет представление знаковых типов, но он указывает, что диапазон должен быть поровну разделен между положительными и отрицательными значениями. Следовательно, 8-битовый тип signed char гарантированно будет в состоянии содержать значения от -127 до 127; большинство современных машин использует представления, позволяющие содержать значения от -128 до 127.

Совет. Какой тип использовать. Подобно языку С, язык С++ был разработан так, чтобы по необходимости программа могла обращаться непосредственно к аппаратным средствам. Поэтому арифметические типы определены так, чтобы соответствовать особенностям различных аппаратных средств. В результате количество возможных арифметических типов в языке С++ огромно. Большинство программистов, желая избежать этих сложностей, ограничивают количество фактически используемых ими типов. Ниже приведено несколько эмпирических правил, способных помочь при выборе используемого типа. • Используйте беззнаковый тип, когда точно знаете, что значения не могут быть отрицательными. • Используйте тип int для целочисленной арифметики. Тип short обычно слишком мал, а тип long на практике зачастую имеет тот же размер, что и тип int. Если ваши значения больше, чем минимально гарантирует тип int, то используйте тип long long. • Не используйте базовый тип char и тип bool в арифметических выражениях. Используйте их только для хранения символов и логических значений. Вычисления с использованием типа char особенно проблематичны, поскольку на одних машинах он знаковый, а на других беззнаковый. Если необходимо маленькое целое число, явно определите тип как signed char или unsigned char. • Используйте тип double для вычислений с плавающей точкой. У типа float обычно недостаточно точности, а различие в затратах на вычисления с двойной и одиночной точностью незначительны. Фактически на некоторых машинах операции с двойной точностью осуществляются быстрее, чем с одинарной. Точность, предоставляемая типом long double, обычно чрезмерна и не нужна, а зачастую влечет значительное увеличение продолжительности выполнения.

Упражнения раздела 2.1.1.

Упражнение 2.1. Каковы различия между типами int, long, long long и short? Между знаковыми и беззнаковыми типами? Между типами float и double?

Упражнение 2.2. Какие типы вы использовали бы для коэффициента, основной суммы и платежей при вычислении выплат по закладной? Объясните, почему вы выбрали каждый из типов?

2.1.2. Преобразование типов.

Тип объекта определяет данные, которые он может содержать, и операции, которые с ним можно выполнять. Среди операций, поддерживаемых множеством типов, есть возможность преобразовать (convert) объект данного типа в другой, связанный тип.

Преобразование типов происходит автоматически, когда объект одного типа используется там, где ожидается объект другого типа. Более подробная информация о преобразованиях приведена в разделе 4.11, а пока имеет смысл понять, что происходит при присвоении значения одного типа объекту другого.

Когда значение одного арифметического типа присваивается другому.

bool b = 42;          // b содержит true

int i = b;            // i содержит значение 1

i = 3.14;             // i содержит значение 3

double pi = i;        // pi содержит значение 3.0

unsigned char с = -1; // при 8-битовом char содержит значение 255

signed char c2 = 256; // при 8-битовом char значение c2 не определено

Происходящее зависит от диапазона значении, поддерживаемых типом.

• Когда значение одного из не логических арифметических типов присваивается объекту типа bool, результат будет false, если значением является 0, а в противном случае — true.

• Когда значение типа bool присваивается одному из других арифметических типов, будет получено значение 1, если логическим значением было true, и 0, если это было false.

• Когда значение с плавающей точкой присваивается объекту целочисленного типа, оно усекается до части перед десятичной точкой.

• Когда целочисленное (интегральное) значение присваивается объекту типа с плавающей точкой, дробная часть равна нулю. Если у целого числа больше битов, чем может вместить объект с плавающей точкой, то точность может быть потеряна.

• Если объекту беззнакового типа присваивается значение не из его диапазона, результатом будет остаток от деления по модулю значения, которые способен содержать тип назначения. Например, 8-битовый тип unsigned char способен содержать значения от 0 до 255 включительно. Если присвоить ему значение вне этого диапазона, то компилятор присвоит ему остаток от деления по модулю 256. Поэтому в результате присвоения значения -1 переменной 8-битового типа unsigned char будет получено значение 255.

• Если объекту знакового типа присваивается значение не из его диапазона, результат оказывается не определен. В результате программа может сработать нормально, а может и отказать или задействовать неверное значение.

Совет. Избегайте неопределенного и машинно-зависимого поведения. Результатом неопределенного поведения являются такие ошибки, которые компилятор не обязан (а иногда и не в состоянии) обнаруживать. Даже если код компилируется, то программа с неопределенным выражением все равно ошибочна. К сожалению, программы, характеризующиеся неопределенным поведением на некоторых компиляторах и при некоторых обстоятельствах, могут работать вполне нормально, не проявляя проблему. Но нет никаких гарантий, что та же программа, откомпилированная на другом компиляторе или даже на следующей версии данного компилятора, продолжит работать правильно. Нет даже гарантий того, что, нормально работая с одним набором данных, она будет нормально работать с другим. Аналогично в программах нельзя полагаться на машинно-зависимое поведение. Не стоит, например, надеяться на то, что переменная типа int имеет фиксированный, заранее известный размер. Такие программы называют непереносимыми (nonportable). При переносе такой программы на другую машину любой полагающийся на машинно-зависимое поведение код, вероятней всего, сработает неправильно, поэтому его придется искать и исправлять. Поиск подобных проблем в ранее нормально работавшей программе, мягко говоря, не самая приятная работа.

Компилятор применяет эти преобразования типов при использовании значений одного арифметического типа там, где ожидается значение другого арифметического типа. Например, при использовании значения, отличного от логического в условии, арифметическое значение преобразуется в тип bool таким же образом, как при присвоении арифметического значения переменной типа bool:

int i = 42;

if (i) // условие рассматривается как истинное

 i = 0;

При значении 0 условие будет ложным, а при всех остальных (отличных от нуля) — истинным.

К тому же при использовании значения типа bool в арифметическом выражении оно всегда преобразуется в 0 или 1. В результате применение логического значения в арифметическом выражении является неправильным.

Выражения, задействующие беззнаковые типы.

Хотя мы сами вряд ли преднамеренно присвоим отрицательное значение объекту беззнакового типа, мы можем (причем слишком легко) написать код, который сделает это неявно. Например, если использовать значения типа unsigned и int в арифметическом выражении, значения типа int обычно преобразуются в тип unsigned. Преобразование значения типа int в unsigned выполняется таким же способом, как и при присвоении:

unsigned u = 10;

int i = -42;

std::cout << i + i << std::endl; // выводит -84

std::cout << u + i << std::endl; // при 32-битовом int,

                                 // выводит 4294967264

Во втором выражении, прежде чем будет осуществлено сложение, значение -42 типа int преобразуется в значение типа unsigned. Преобразование отрицательного числа в тип unsigned происходит точно так же, как и при попытке присвоить это отрицательное значение объекту типа unsigned. Произойдет "обращение значения" (wrap around), как было описано выше.

При вычитании значения из беззнакового объекта, независимо от того, один или оба операнда являются беззнаковыми, следует быть уверенным том, что результат не окажется отрицательным:

unsigned u1 = 42, u2 = 10;

std::cout << u1 - u2 << std::endl; // ok: результат 32

std::cout << u2 - u1 << std::endl; // ok: но с обращением значения

Тот факт, что беззнаковый объект не может быть меньше нуля, влияет на способы написания циклов. Например, в упражнениях раздела 1.4.1 (стр. 39) следовало написать цикл, который использовал оператор декремента для вывода чисел от 10 до 0. Написанный вами цикл, вероятно, выглядел примерно так:

for (int i = 10; i >= 0; --i)

 std::cout << i << std::endl;

Казалось бы, этот цикл можно переписать, используя тип unsigned. В конце концов, мы не планируем выводить отрицательные числа. Однако это простое изменение типа приведет к тому, что цикл никогда не закончится:

// ОШИБКА: u никогда не сможет стать меньше 0; условие

// навсегда останется истинным

for (unsigned u = 10; u >= 0; --u)

 std::cout << u << std::endl;

Рассмотрим, что будет, когда u станет равно 0. На этой итерации отображается значение 0, а затем выполняется выражение цикла for. Это выражение, --u, вычитает 1 из u. Результат, -1, недопустим для беззнаковой переменной. Как и любое другое значение, не попадающее в диапазон допустимых, это будет преобразовано в беззнаковое значение. При 32-разрядном типе int результат выражения --u при u равном 0 составит 4294967295.

Исправить этот код можно, заменив цикл for циклом while, поскольку последний осуществляет декремент прежде (а не после) отображения значения:

unsigned u = 11; // начать цикл с элемента на один больше

                 // первого, подлежащего отображению

while (u > 0) {

 --u; // сначала декремент, чтобы последняя итерация отобразила 0

 std::cout << u << std::endl;

}

Цикл начинается с декремента значения управляющей переменной цикла. В начале последней итерации переменная u будет иметь значение 1, а после декремента мы отобразим значение 0. При последующей проверке условия цикла while значением переменной u будет 0, и цикл завершится. Поскольку декремент осуществляется сначала, переменную u следует инициализировать значением на единицу больше первого подлежащего отображению значения. Следовательно, чтобы первым отображаемым значением было 10, переменную u инициализируем значением 11.

Внимание! Не смешивайте знаковые и беззнаковые типы. Выражения, в которых смешаны знаковые и беззнаковые типы, могут приводить к удивительным результатам, когда знаковое значение оказывается негативным. Важно не забывать, что знаковые значения автоматически преобразовываются в беззнаковые. Например, в таком выражении, как a * b, если а содержит значение -1, a b значение 1 и обе переменные имеют тип int, ожидается результат -1. Но если переменная а имеет тип int, а переменная b — тип unsigned, то значение этого выражения будет зависеть от количества битов, занимаемых типом int на данной машине. На нашей машине результатом этого выражения оказалось 4294967295.

Упражнения раздела 2.1.2.

Упражнение 2.3. Каков будет вывод следующего кода?

unsigned u = 10, u2 = 42;

std::cout << u2 - u << std::endl;

std::cout << u - u2 << std::endl;

int i = 10, i2 = 42;

std::cout << i2 - i << std::endl;

std::cout << i - i2 << std::endl;

std::cout << i - u << std::endl;

std::cout << u - i << std::endl;

Упражнение 2.4. Напишите программу для проверки правильности ответов. При неправильных ответах изучите этот раздел еще раз.

2.1.3. Литералы.

Такое значение, как 42, в коде программы называется литералом (literal), поскольку его значение самоочевидно. У каждого литерала есть тип, определяемый его формой и значением.

Целочисленные литералы и литералы с плавающей запятой.

Целочисленный литерал может быть в десятичной, восьмеричной или шестнадцатеричной форме. Целочисленные литералы, начинающиеся с нуля ( 0), интерпретируются как восьмеричные, а начинающиеся с 0x или 0X — как шестнадцатеричные. Например, значение 20 можно записать любым из трех следующих способов.

20   // десятичная форма

024  // восьмеричная форма

0x14 // шестнадцатеричная форма

Тип целочисленного литерала зависит от его значения и формы. По умолчанию десятичные литералы считаются знаковыми, а восьмеричные и шестнадцатеричные литералы могут быть знаковыми или беззнаковыми. Для десятичного литерала принимается наименьший тип, int, long, или long long, подходящий для его значения (т.е. первый подходящий в этом списке). Для восьмеричных и шестнадцатеричных литералов принимается наименьший тип, int, unsigned int, long, unsigned long, long long или unsigned long long, подходящий для значения литерала. Не следует использовать литерал, значение которого слишком велико для наибольшего соответствующего типа. Нет литералов типа short. Как можно заметить в табл. 2.2, значения по умолчанию можно переопределить при помощи суффикса.

Хотя целочисленные литералы могут иметь знаковый тип, с технической точки зрения значение десятичного литерала никогда не бывает отрицательным числом. Если написать нечто, выглядящее как отрицательный десятичный литерал, например -42, то знак "минус" не будет частью литерала. Знак "минус" — это оператор, который инвертирует знак своего операнда (литерала).

Литералы с плавающей запятой включают либо десятичную точку, либо экспоненту, определенную при помощи экспоненциального представления. Экспонента в экспоненциальном представлении обозначается символом E или е:

3.14159 3.14159Е0 0. 0e0 .001

По умолчанию литералы с плавающей запятой имеют тип double. Используя представленные в табл. 2.2 суффиксы, тип умолчанию можно переопределить.

Символьные и строковые литералы.

Символ, заключенный в одинарные кавычки, является литералом типа char. Несколько символов, заключенных в парные кавычки, являются строковым литералом:

'a'            // символьный литерал

"Hello World!" // строковый литерал

Типом строкового литерала является массив константных символов. Этот тип обсуждается в разделе 3.5.4. К каждому строковому литералу компилятор добавляет нулевой символ (null character) ( '\0'). Таким образом, реальная величина строкового литерала на единицу больше его видимого размера. Например, литерал 'A' представляет один символ А, тогда как строковый литерал "А" представляет массив из двух символов, символа А и нулевого символа.

Два строковых литерала, разделенных пробелами, табуляцией или символом новой строки, конкатенируются в единый литерал. Такую форму литерала используют, если необходимо написать слишком длинный текст, который неудобно располагать в одной строке.

// многострочный литерал

std::cout << "a really, really long string literal "

             "that spans two lines" << std::endl;

Управляющие последовательности.

У некоторых символов, таких как возврат на один символ или управляющий символ, нет видимого изображения. Такие символы называют непечатаемыми (nonprintable character). Другие символы (одиночные и парные кавычки, вопросительный знак и наклонная черта влево) имеют в языке специальное назначение. В программах нельзя использовать ни один из этих символов непосредственно. Для их представления как символов используется управляющая последовательность (escape sequence), начинающаяся с символа наклонной черты влево.

В языке С++ определены следующие управляющие последовательности.

Новая строка (newline)	\n	Горизонтальная табуляция (horizontal tab)	\t	Оповещение, звонок (alert)	\a
Вертикальная табуляция (vertical tab)	\v	Возврат на один символ (backspace)	\b	Двойная кавычка (double quote)	\"
Наклонная черта влево (backslash)	\\	Вопросительный знак (question mark)	\?	Одинарная кавычка (single quote)	\'
Возврат каретки (carriage return)	\r	Прогон страницы (formfeed)	\f

Управляющую последовательность используют как единый символ:

std::cout << '\n';      // отобразить новую строку

std::cout << "\tHi!\n"; // отобразить табуляцию,

                        // текст "Hi!" и новую строка

Можно также написать обобщенную управляющую последовательность, где за \x следует одна или несколько шестнадцатеричных цифр или за \ следует одна, две или три восьмеричные цифры. Так можно отобразить символ по его числовому значению. Вот несколько примеров (подразумевается использование набора символов Latin-1):

\7 (оповещение)     \12  (новая строка) \40 (пробел).

\0 (нулевой символ) \115 (символ 'M')  \x4d (символ 'M')

Как и управляющие последовательности, определенные языком, такой синтаксис можно использовать вместо любого другого символа:

std::cout << "Hi \x4dO\115!\n"; // выводит Hi MOM! и новую строку

std::cout << '\115' << '\n';    // выводит M и новую строку

Обратите внимание: если символ \ сопровождается более чем тремя восьмеричными цифрами, то ассоциируются с ним только первые три. Например, литерал "\1234" представляет два символа: символ, представленный восьмеричным значением 123, и символ 4. Форма \x, напротив, использует все последующие шестнадцатеричные цифры; литерал "\x1234" представляет один 16-разрядный символ, состоящий из битов, соответствующих этим четырем шестнадцатеричным цифрам. Поскольку большинство машин использует 8-битовые символы, подобные значения вряд ли будут полезны. Обычно шестнадцатеричные символы с более чем 8 битами используются для расширенных наборов символов с применением одного из префиксов, приведенных в табл. 2.2.

Определение типа литерала.

При помощи суффикса или префикса, представленного в табл. 2.2, можно переопределить заданный по умолчанию тип целого числа, числа с плавающей запятой или символьного литерала.

L'a'     // литерал типа wchar_t (широкий символ)

u8"hi!"  // строковый литерал utf-8 (8-битовая кодировка Unicode)

42ULL    // целочисленный беззнаковый литерал, тип unsigned long long

1E-3F    // литерал с плавающей точкой и одинарной точностью, тип float

3.14159L // литерал с плавающей точкой и расширенной точностью,

         // тип long double

При обозначении литерала как имеющего тип long используйте букву L в верхнем регистре; строчная буква l слишком похожа на цифру 1.

Таблица 2.2. Определение типа литерала

Символьные и строковые литералы
Префикс	Значение	Тип
U	Символ Unicode 16	char16_t
U	Символ Unicode 32	char32_t
L	Широкий символ	wchar_t
U8	utf-8 (только строковые литералы)	char
Целочисленные литералы	Литералы с плавающей точкой
Суффикс	Минимальный тип	Суффикс	Тип
u или U	unsigned	f или F	float
l или L	long	l или L	long double
Ll или LL	long long

Можно непосредственно определить знак и размер целочисленного литерала. Если суффикс содержит символ U, то у литерала беззнаковый тип. Таким образом, у десятичного, восьмеричного или шестнадцатеричного литерала с суффиксом U будет наименьший тип unsigned int, unsigned long или unsigned long long, в соответствии со значением литерала. Если суффикс будет содержать символ L, то типом литерала будет по крайней мере long; если суффикс будет содержать символы LL, то типом литерала будет long long или unsigned long long.

Можно объединить символ U с символом L или символами LL. Литерал с суффиксом UL, например, задаст тип unsigned long или unsigned long long, в зависимости от того, помещается ли его значение в тип unsigned long.

Логические литералы и литеральные указатели.

Слова true и false — это логические литералы (литералы типа bool)

Bool test = false;

Слово nullptr является литеральным указателем. Более подробная информация об указателях и литерале nullptr приведена в разделе 2.3.2.

Упражнения раздела 2.1.3.

Упражнение 2.5. Определите тип каждого из следующих литералов. Объясните различия между ними:

(a) 'a', L'a', "a", L"a"

(b) 10, 10u, 10L, 10uL, 012, 0xC

(c) 3.14, 3.14f, 3.14L

(d) 10, 10u, 10., 10e-2

Упражнение 2.6. Имеются ли различия между следующими определениями:

int month = 9, day = 7;

int month = 09, day = 07;

Упражнение 2.7. Какие значения представляют эти литералы? Какой тип имеет каждый из них?

(a) "Who goes with F\145rgus?\012"

(b) 3.14e1L (c) 1024f (d) 3.14L

Упражнение 2.8. Напишите программу, использующую управляющие последовательности для вывода значения 2M, сопровождаемого новой строкой. Модифицируйте программу так, чтобы вывести 2, затем табуляцию, потом M и наконец символ новой строки.