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3.2   基本数据类型

当谈及计算机中的数据时，我们会想到文本、图片、视频、语音、3D 模型等各种形式。尽管这些数据的组织形式各异，但它们都由各种基本数据类型构成。

基本数据类型是 CPU 可以直接进行运算的类型，在算法中直接被使用，主要包括以下几种。

  • 整数类型 byte、short、int、long 。
  • 浮点数类型 float、double ，用于表示小数。
  • 字符类型 char ，用于表示各种语言的字母、标点符号甚至表情符号等。
  • 布尔类型 bool ，用于表示“是”与“否”判断。

基本数据类型以二进制的形式存储在计算机中。一个二进制位即为 \(1\) 比特。在绝大多数现代操作系统中，\(1\) 字节（byte）由 \(8\) 比特（bit）组成。

基本数据类型的取值范围取决于其占用的空间大小。下面以 Java 为例。

  • 整数类型 byte 占用 \(1\) byte = \(8\) bits ，可以表示 \(2^{8}\) 个数字。
  • 整数类型 int 占用 \(4\) bytes = \(32\) bits ，可以表示 \(2^{32}\) 个数字。

表 3-1 列举了 Java 中各种基本数据类型的占用空间、取值范围和默认值。此表格无须死记硬背，大致理解即可，需要时可以通过查表来回忆。

表 3-1   基本数据类型的占用空间和取值范围

类型 符号 占用空间 最小值 最大值 默认值
整数 byte 1 byte \(-2^7\) (\(-128\)) \(2^7 - 1\) (\(127\)) \(0\)
short 2 bytes \(-2^{15}\) \(2^{15} - 1\) \(0\)
int 4 bytes \(-2^{31}\) \(2^{31} - 1\) \(0\)
long 8 bytes \(-2^{63}\) \(2^{63} - 1\) \(0\)
浮点数 float 4 bytes \(1.175 \times 10^{-38}\) \(3.403 \times 10^{38}\) \(0.0\text{f}\)
double 8 bytes \(2.225 \times 10^{-308}\) \(1.798 \times 10^{308}\) \(0.0\)
字符 char 2 bytes \(0\) \(2^{16} - 1\) \(0\)
布尔 bool 1 byte \(\text{false}\) \(\text{true}\) \(\text{false}\)

请注意，表 3-1 针对的是 Java 的基本数据类型的情况。每种编程语言有各自的数据类型定义，它们的占用空间、取值范围和默认值可能会有所不同。

  • 在 Python 中，整数类型 int 可以是任意大小，只受限于可用内存；浮点数 float 是双精度 64 位；没有 char 类型，单个字符实际上是长度为 1 的字符串 str 。
  • C 和 C++ 未明确规定基本数据类型大小，而因实现和平台各异。表 3-1 遵循 LP64 数据模型，其用于包括 Linux 和 macOS 在内的 Unix 64 位操作系统。
  • 字符 char 的大小在 C 和 C++ 中为 1 字节，在大多数编程语言中取决于特定的字符编码方法，详见“字符编码”章节。
  • 即使表示布尔量仅需 1 位（\(0\) 或 \(1\)），它在内存中通常存储为 1 字节。这是因为现代计算机 CPU 通常将 1 字节作为最小寻址内存单元。

那么，基本数据类型与数据结构之间有什么联系呢？我们知道，数据结构是在计算机中组织与存储数据的方式。这句话的主语是“结构”而非“数据”。

如果想表示“一排数字”，我们自然会想到使用数组。这是因为数组的线性结构可以表示数字的相邻关系和顺序关系，但至于存储的内容是整数 int、小数 float 或是字符 char ，则与“数据结构”无关。

换句话说，基本数据类型提供了数据的“内容类型”，而数据结构提供了数据的“组织方式”。例如以下代码，我们用相同的数据结构（数组）来存储与表示不同的基本数据类型，包括 int、float、char、bool 等。

# 使用多种基本数据类型来初始化数组
numbers: list[int] = [0] * 5
decimals: list[float] = [0.0] * 5
# Python 的字符实际上是长度为 1 的字符串
characters: list[str] = ['0'] * 5
bools: list[bool] = [False] * 5
# Python 的列表可以自由存储各种基本数据类型和对象引用
data = [0, 0.0, 'a', False, ListNode(0)]

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
int numbers[5];
float decimals[5];
char characters[5];
bool bools[5];

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
int[] numbers = new int[5];
float[] decimals = new float[5];
char[] characters = new char[5];
boolean[] bools = new boolean[5];

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
int[] numbers = new int[5];
float[] decimals = new float[5];
char[] characters = new char[5];
bool[] bools = new bool[5];

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
var numbers = [5]int{}
var decimals = [5]float64{}
var characters = [5]byte{}
var bools = [5]bool{}

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
let numbers = Array(repeating: Int(), count: 5)
let decimals = Array(repeating: Double(), count: 5)
let characters = Array(repeating: Character("a"), count: 5)
let bools = Array(repeating: Bool(), count: 5)

// JavaScript 的数组可以自由存储各种基本数据类型和对象
const array = [0, 0.0, 'a', false];

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
const numbers: number[] = [];
const characters: string[] = [];
const bools: boolean[] = [];

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
List<int> numbers = List.filled(5, 0);
List<double> decimals = List.filled(5, 0.0);
List<String> characters = List.filled(5, 'a');
List<bool> bools = List.filled(5, false);

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
let numbers: Vec<i32> = vec![0; 5];
let decimals: Vec<f32> = vec![0.0, 5];
let characters: Vec<char> = vec!['0'; 5];
let bools: Vec<bool> = vec![false; 5];

// 使用多种基本数据类型来初始化数组
int numbers[10];
float decimals[10];
char characters[10];
bool bools[10];
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