C语言程序设计基础（第二版）课件：语言中的基本数据与运算-C语言基本元素

C语言中的基本数据与运算

——C语言基本元素2.1常量2.2变量2.3数据类型与存储结构2.4算术表达式实操训练课外练习

C语言的基本元素有哪些？

从一般的语言体系来讲，一种语言最基本的内容是语言元素。C语言的基本元素是构成C程序语句的基本成分。从C程序的功能来讲，一个C语言程序就是对一个问题的特定数据进行存储、加工处理，并将结果输送给用户，因此程序最基本的内容应是基本数据与运算。

C语言的基本元素包括基本字符集、数据、表达式和函数。

(1)基本字符集。C语言的基本字符集是ASCII码表中的一些基本字符。在C语句中对使用的字符一般都有具体的规定，这里不再专门介绍。

(2)数据。C语言中的数据是C语句的组成部分，又是C程序加工处理的对象。数据对象各种各样，在C语言中划分为不同的数据类型。一种数据类型代表了一种数据对象的逻辑结构，而且定义了它的存储结构。C语言允许使用的数据类型如图2.1所示。类型名称后括号内的字符是定义该类型数据的关键字。图2.1C语言中允许使用的数据类型

C语言中的数据按其在程序中的表现形态又可分为常量和变量。

(3)表达式。表达式既是C语句的组成部分，又是C程序中对数据进行运算的主要方式。表达式有算术表达式、关系表达式、逻辑表达式等。

(4)函数。函数可以出现在C语句中，是语句的构成部分，但函数又是C程序的功能模块，贯穿于C语言程序设计的始终，这将在后续章节中介绍。

从上述内容可知，C语言的基本元素包含的内容较广泛，有些内容需要具备一定的C语言知识才能够理解。本章将从尽快进入C语言程序设计学习的角度，介绍最基本的数据类型和算术表达式，其他内容将在后续章节介绍。

2.1常量

何谓常量？常量有哪些类型？常量在程序中如何表示？常量是在程序中以数学中常数的形式出现的数据。常量在程序运行过程中其值始终保持不变，这是相对于变量而言的。其实，常量就是常数数据。不同类型的常量在程序中的书写形式是不同的。

2.1.1整型常量

整型常量用数学中的整数形式书写，如10、105、2386、-1、-20、-15 678等。在C语言中，整型常量除采用十进制数外，还可以采用八进制和十六进制数表示。八进制数和十六进制数实际上是二进制数的缩写。

八进制整数：以0开头，作为八进制数的标识，后跟八进制基本数字0～7。如0123表示八进制数123，即十进制数83；-011表示八进制数 -11，即十进制数 -9。

十六进制整数：以0x开头，作为十六进制数的标识，后跟十六进制基本数字0～9、A、B、C、D、E、F。如0x12F表示十六进制数12F，即十进制数303；-0x1B表示十六进制数 -1B，即十进制数 -27。

2.1.2实型常量

实型常量有小数和指数两种形式。

1．小数形式

小数形式实数以数学中的小数形式书写，如0.01、123.456、-5.78、1.0、12.0等。

注意：如果一个实数没有小数位，则必须在数的末尾加小数点，或将小数点后的小数部分写为“0”；否则，就按整数处理。例如，12.和12.0都是正确的实数表示。

2．指数形式

指数形式的实数与数学中的指数形式不同，用字母“e”或“E”表示数学指数中的底数“10”，指数不能写成上标形式，而应与所有字符平等书写，“e”或“E”之前必须

有数字，“e”或“E”后面必须为整数。例如，12.34e3代表12.34 × 103，-346.87e-25(代表-346.87 × 10-25，0.145E25代表0.145 × 1025。e4和12e2.5是错误的写法，因为e4的e前无数字，12e2.5的e后面是小数。

指数形式的实数与数学中的写法不同，因此务必注意，一定要从学习C语言之初就养成良好的习惯。

2.1.3字符常量

字符常量是以单个字符为一个数据对象的常数，在计算机内部按字符的ASCII码进行存储与处理。字符常量分为普通字符和转义字符两种。

1．普通字符

普通字符以单撇号界定，如 'a'、'A'、'3'、'0'、'?'、'#' 都表示字符常量。字符常量必须是单个字符，如 'ab'、'12' 就不是字符常量了。

注意：数字作为字符常量就不代表数字值了，它的值是ASCII码。例如 '3' 的值是51(见附录A)。

2．转义字符

C程序中还允许使用一种特殊形式的字符常量，即转义字符，它是单撇号界定的以“\”开头的字符序列。例如，前面在printf函数中已用过的 '\n'，它代表一个“换行符”。'\t' 代表将输出位置跳到下一个tab位置(制表位置)，一个tab位置是向后跳8个字符位的位置。这是一种在屏幕上无法显示的“控制字符”，在程序中也无法用一般形式的字符来表示，只能采用这样的特殊形式来表示。常用的以“\”开头的特殊字符见表2.1。

2.1.4字符串常量

字符串常量是将一个字符序列作为一个数据对象。它是用双撇号界定的一个字符序列。例如，"boy" 和"123" 是两个字符串常量。注意不要把字符串界定符双撇号写成单撇号。如'boy'，这样的写法既不表示字符串常量，也不表示字符常量。

2.1.5符号常量

在C程序中，可以将一个常量定义成一个符号，用符号来表示所定义的常量。这样，可以给程序设计带来很大便利。一般在程序的开头，用预处理指令进行定义。其一般形式如下：

#define符号常量数据

例如：

#definePI3.1415926

在程序中，在定义后的的任意地方，都可以用PI来表示3.141 592 6。PI就是符号常量。

在程序设计中，如果一个常量比较冗长，或一个常量要在多处书写，将该常量定义成符号常量，会带来极大便利。一方面，可避免书写冗长数据容易出错的问题；另一方面，如果一个常量在程序中多处出现，要改变此数据，必须多处修改，而定义成符号常量后，只要在定义处修改即可。在定义符号常量时，标识符采用“顾名思义”的习惯，为与变量有所区分，常将字母大写。例如，要定义商品价格常量符号，可用“PRICE”作为符号名。

2.2变量

2.2.1变量的内涵一个变量就代表一个数据的存储单元。可以把一个存储单元比作存放一个数据的盒子，如图2.2所示。盒子中存放了数据，这个数据可以多次取出来使用，也可以将一个新数据存放在盒子中，但新数据存入时，旧数据就自然丢掉了。盒子里面的内容(数)是变量的值。存储单元随时可存入新数，在程序运行过程中，一个变量的值随时可发生变化，正是从这个意义上称之为变量的。图2.2存储单元示意图

2.2.2变量的定义

程序中使用的变量必须先定义、后使用。只有定义了的变量，程序编译时，系统才会给其分配相应的存储单元。变量定义的一般形式为

类型符变量名；

其中，类型符可以是图2.1中基本类型中的各种数据类型后标注的关键字，例如，整型用int，字符型用char，单精度浮点型用float，双精度浮点型用double。类型关键字规定了变量的类型，也就是变量值的类型。从数据存储的角度来讲，不同类型的数据，系统给其分配不同长度的存储单元。例如，系统给char型数据分配一个字节的存储单元，给int型数据分配4个字节的存储单元。只有定义了类型，系统才能给变量分配相应长度的存储单元。

变量名是变量所表示的数据对象的名称。从存储器的特性来说，每一个存储单元都有一个编号，称之为地址，对存储单元中数据进行存取，必须要给出单元地址。

C语言规定标识符只能由字母、数字和下划线三种字符组成，且首字符必须是字母或下划线。下面列出的是合法的标识符，也是合法的变量名：

Sum，average，_total，student_name，lotus_1_2_3

下面列出的是不合法的标识符和变量名：

M.D.John，¥123，#33，3D64，a>b

在C语言标识符中，大写字母与小写字母被认为是两个不同的字符。因此，Sum和sum、class和Class是两个不同的标识符。一般地，变量名用小写字母表示，这已成为C语言中约定俗成的变量命名方法。

在选择变量名和其他标识符时，应养成“顾名思义”的习惯，即选有含义的英文单词(或其缩写)作标识符。如sum表示和数，average表示平均值，total表示总数。这样可提高程序的可读性。

从以上变量的定义语句可以看出，一个定义语句可以定义一个变量，也可以定义多个变量，但在一个语句中定义的多个变量必须是同类型的，变量之间要用逗号分隔。

2.3数据类型与存储结构

不同类型的数据如何存储？与数据处理的精度有何关系？C语言程序中，定义了数据类型，就表示告知了编译系统数据的存储结构。编译系统根据类型给数据分配相应长度的存储单元，从而也就决定了数据的数值范围，亦决定了数据的精度。了解各种数据类型的存储长度及取值范围，可在程序中恰当地定义变量的类型。

2.3.1整型数据的存储结构

整型数据在存储器中用补码的形式存储。C语言标准中没有具体规定各种类型数据所占存储单元的长度，但在各种编译系统中都有自己的规定。整型数据常见的存储长度和值的范围见表2.2。

2.3.2字符型数据的存储结构

字符型数据在存储器中存储的是字符的ASCII码，一个字符型数据只占一个字节，数值范围为0～255，若取值范围超出0～255，则出错。

2.3.3实型(浮点型)数据的存储结构

实型数据是以指数形式存放在存储单元中的。一个实数表示为指数，可以有不止一种形式，如3.1416可以表示为3.14 159 × 100，0.314 159 × 101，0.031 415 9 × 102，31.4159 × 10-1等。显然，小数点位置在浮动，同时指数的值也在改变。由于小数点位置可以浮动，所以把实数的指数形式称为浮点型。

在存储实型数据时，系统把小数和指数两个部分分别存放，如图2.3所示。图中是以十进制数来示意的。实际上，计算机用二进制数表示小数部分，用2的幂次的二进制数表示指数部分。小数部分和指数部分各占多少位，C标准中并无规定，是由各编译系统自行规定的。小数部分的位数决定了实数表示的精度，位数越多，数的有效位数越多，精度也就越高。指数部分的位数越多，则数值的取值范围就越大。图2.3指数存储示意图

常见的3种实型数据的存储长度、有效数字和取值范围如表2.3所示。TurboC对longdouble型分配16个字节的存储长度。VisualC++6.0对longdouble型分配8个字节的存储长度。

2.4算术表达式

C语言中有哪些算术表达式？计算机对算术表达式如何求值？算术表达式是用算术运算符和括号将运算对象连接起来的、符合C语言规则的式子。C语言中运算符的范围很广，通常把起数值运算作用的运算符统称为算术运算符。

2.4.1基本算术运算符与表达式

1．基本算术运算符

C语言中的基本算术运算符见表2.4。

2．运算符的优先级与结合性

C语言规定了运算符的优先级和结合性。在对表达式求值时，需按运算符的优先级高低次序进行。5个基本算术运算符的优先级是先 *、/、%，后+、-。如a-b*c，b的左侧是减号，右侧是乘号，因乘号优先于减号，所以，相当于a-(b*c)。如果一个运算对象两侧的运算符的优先级相同，如a-b+c，则按规定的结合方向处理。C语言规定了运算符的结合方向(结合性)。基本算术运算符的结合方向为自左至右，又称为左结合性，即运算对象先与左侧的运算符结合。因此，b先与减号结合，进行a-b运算，再执行加c运算。关于结合性的概念，在其他高级语言中是没有的，是C语言的特点之一，需认真加以理解。

例如：表达式a*b/c-1.5+d的运算顺序为((((a*b)/c)-1.5)+c)。

3．混合运算的数值类型转换

如果一个表达式中包含了不同数据类型的运算对象，则在进行运算时，不同类型的数据先要转换成同一类型，然后进行运算。转换的规则是：把存储长度短的类型向存储长度长的类型转换。各种数据类型间的一般转换顺序可表示如下：

(short,char)→int→unsigned→long→float→double

算术运算符是双目运算符，一个运算符涉及两个运算对象，一次转换只在两种不同类型间进行。例如，int型与double型数据进行运算，先将int型数据转换成double型，然后进行运算，结果是double型。

假设已定义i为int型变量，f为float型变量，d为double型变量，l为long型变量，e为float型变量，分析下面表达式的运算：

10+'a'+i*f-d/e

计算机执行时从左至右扫描，运算次序如下：

(1)进行10+ 'a' 的运算，先将 'a' 转换成整数97，运算结果为107。

(2)由于“*”比“+”优先，因此先进行i*f的运算，将i转换成float型，运算结果为float型。

(3)整数107与i*f相加。先将整数107转换成实数(小数点后加若干个0，即

107.000…00)，结果为float型。

(4)将变量e转换成double型，d/e的结果为double型。

(5)将10+'a'+i*f的结果与d/e的商相减，结果为double型。

上述表达式运算过程中的类型转换是由系统自动进行的。在某些情况下，需要在程序中设置操作数类型的转换，这样的转换方式称为强制转换。如%运算要求两运算数必须是整型数，如果在程序中遇到一个或两个运算数不是整型数，就需要强制转换。

强制类型转换的一般形式为

(类型符)(表达式)

例如：

(double)a表示将a转换成double类型。

(int)(x+y)表示将x+y的值转换成整型。

(float)(5%3)表示将5%3的值转换成float型。

需要说明的是，在强制类型转换时，得到一个所需类型的中间变量，原来变量的类型未发生变化。例如：

(int)x

如果已定义x为float型，则进行强制类型转换后得到一个int型的中间变量，它的值等于x的整数部分，而x的类型不变，仍为float型。

分析：从程序的运行结果可以看出，x强制转换为int型并赋给变量i，输出i的值，为整型；x仍为float型，保持原值不变。

从上述内容可知，有两种类型转换：一种是在运算时不必由用户指定，系统自动进行的类型转换；另一种是强制类型转换。当自动类型转换不能达到目的时，可以用强制类型转换。如x为float型，则“x%3”不合法，必须用“(int)x%3”。

2.4.2自加、自减运算符与表达式

1．自加、自减运算符与表达式

自加运算符(++)和自减运算符(--)都是单目运算符，只作用于单个变量，使变量的值加1或减1。它们各有两种使用方式：一种是变量在运算符前，另一种是变量在运算符后。

分析：程序中4个表达式求值都是在变量i的初值为3的基础上进行的。执行“a1=i++;”时，先把变量i的值3赋给变量a1，再使变量i的值加1，变量i的值变为4。执行“a2=++i;”时，先使变量i的值加1，变为4，再赋给变量a2，变量i和a2的值都为4。执行“s1=i--;”时，先把变量i的值3赋给变量s1，再使变量i的值减1，变为2。执行“s2=--i;”时，先使变量i的值减1，变为2，再赋给变量s2，变量i和s2的值都为2。

特别强调：自增运算符(++)和自减运算符(--)只能用于变量，而不能用于常量或表达式，如5++或(a+b)++都是不合法的。因为加1或减1后的值仍要存放在原变量中，常量和表达式是不能存储值的。

2．“++”和“--”的结合性

“++”和“--”的结合方向是自右至左，也称为右结合性。如果有-i++，i的左面是负号运算符，右面是自加运算符。如果i的原值等于3，若按左结合性，相当于(-i)++，而(-i)++是不合法的，因为对表达式不能进行自加、自减运算。从附录C可知，负号运算符和“++”“--”运算符同优先级，而结合方向为自右至左(右结合性)，即它相当于-(i++)。“++”和“--”的结合性可通过下例程序来验证。

分析：先使用i的值3，输出 -i的值 -3，然后i值增加为4。表达式-i++的结合性为-(i++)，执行时，先用i的值3取负号，将 -3赋给a1，再对i加1，i的值变为4。表达式-++i的结合性为 -(++i)，执行时，先将i的值3加1后取负号，再将 -4赋给a2。

3．自加、自减运算符表达式使用中需注意的问题

C运算符和表达式使用灵活，利用这一点可以巧妙地处理许多在其他语言中难以处理的问题，但使用中也有一些需要注意的问题：

(1)注意不同系统对表达式的求值顺序的差异，避免求值歧义。例如，i的初值为3，有以下表达式：

(i++)+(i++)+(i++)

表达式的值是多少呢？有的系统按照自左而右顺序求解括号内的运算，求完笫1个括号的值后，实现i自加，i值变为4，再求第2个括号的值，结果表达式相当于3+4+5，即12。而另一些系统(如TurboC和VisualC++6.0)把3作为表达式中所有i的值，因此3个i相加，得到表达式的值为9，在求出整个表达式的值后再实现自加3次，i的值变为6。应该避免出现这种歧义性。如果编程者的原意是想得到12，可以写成下列语句：

(2)注意运算符的组合。C语言中有的运算符为一个符号，有的运算符由两个符号组成，如果有多个运算符连写在一个表达式中，怎样组合运算符呢？如i+++j，是理解为(i++)+j，还是理解为i+(++j)呢？C编译系统在处理时，尽可能多地自左而右，将若干个字符组成一个运算符(在处理标识符、关键字时也按同一原则处理)。i+++j被理解为(i++)+j，而不是i+(++j)。为避免误解，最好采取便于理解的写法，不要写成i+++j的形式，而应写成(i++)+j的形式。

(3)注意不同系统在调用函数时实参数的求值顺序的差异，避免求值歧义。C标准对函数参数的求值顺序并无统一规定。例如，i的初值为3，如果有下面的函数调用语句：

printf("%d,%d"，i，i++)；

在有的系统中，从左至右求值，输出“3，3”；在有的系统中，对函数参数的求值顺序则是自右而左。上面printf函数中要输出两个表达式的值，先输出第2个表达式i的值3，然后执行i++，使i加1变为4，因此输出的是“4，3”。

为了避免这种求值的歧义，最好改写成函数参数求值与处理顺序无关的形式。如将上面的语句改为

j=i++;

printf("%d,%d"，j，i)；

由于编译系统的处理方法不同而引起的差异问题，并不是C语言标准，不必死记，必要时上机测试一下即可。但遇到问题时，应知道问题可能出在哪里。

2.4.3赋值运算符与表达式

1．基本的赋值运算符与表达式

“=”就是赋值运算符。用赋值运算符构成表达式的一般形式为

变量=表达式

这里的“=”不表示数量相等的关系，而表示一种“赋值”操作。其作用就是把右侧表达式的值赋给左侧的变量。也就是说，表达式的运算结果使变量具有赋值符号右侧表达式的值。从变量的含义来讲，就是把右侧表达式的值存放到变量所标识的存储单元中。

将赋值表达式作为表达式的一种，使赋值操作也可以出现在赋值语句中，而且可以出现在其他语句中，这是C语言灵活性的一种表现。赋值运算符的结合方向为自右至左，又称为右结合性。如a=b=c=5等价于a=(b=(c=5)),操作次序为：5赋给c，c的值赋给b，b的值赋给a。

例如：

a=5+(c=6)的处理步骤是c=6→5+c→a=5+c，表达式的值为11，变量a的值是11，变量c的值是6。

a=(b=4)+(c=6)的处理步骤是c=6→b=4→b+c→a=b+c，表达式的值为10，变量a的值是10，变量b的值是4，变量c的值是6。

a=(b=10)/(c=2)的处理步骤是c=2→b=10→b/c→a=b/c，表达式的值为5，变量a的值是5，变量b的值是10，变量c的值是2。

程序中的表达式在程序运行时，由计算机自动处理。但在程序设计中，或程序调试中往往需要分析表达式的求值。复杂表达式的求值要根据运算符的优先级和结合性(见附录C)分析处理顺序。初学者最好通过上机运行一个简单程序来验证表达式的求值，以加深对复杂表达式求值的理解。

分析：在printf的最后一个输出项直接写表达式，输出结果就是该表达式的值。利用printf函数，可以输出变量、表达式的值。这里只要模仿使用就行了，关于输出格式描述符，将在后面章节介绍。

2．赋值过程中的类型转换

如果赋值运算符左侧变量与右侧表达式的类型不一致，则在赋值时，系统自动进行类型转换。类型转换的一般规则是：把右侧表达式的值转换为左侧变量的类型，再进行赋值操作。

(1)将浮点型数据(包括单、双精度)赋给整型变量时，舍弃浮点数的小数部分，只将整数值赋给变量。

(2)将整型数据赋给单/双精度变量时，数值不变，但以浮点数形式存储到变量中。

(3)将一个double型数据赋给float型变量时，应先将双精度数转换成单精度数，即只截取其前面6～7位有效数字，存放到float型变量的存储单元中。

注意：被赋值的双精度数的大小应不超出float型变量的数值范围，否则将产生溢出。

将一个float型数据赋给double型变量时，数值不变，有效位数扩展到双精度型。

(4)字符型数据赋给整型变量时，将字符的ASCII码赋给整型变量，不存在数据丢失问题。

(5)将一个存储长度长的整型数据赋给一个存储长度短的整型变量时，将按等长度截取低字节值存放到短变量存储单元中。

从存储结构看，353的二进制数为0000000101100001，将低字节01100001赋给字符变量c，其十进制数为97，对应的是字符 'a' 的ASCII码，高字节将截断丢失。

一般来说，将存储长度长的类型数据赋给存储长度短的类型变量，会发生数据截断丢失的问题，实际应用中要尽量避免。

3．复合赋值运算符与表达式

在赋值运算符“=”之前加上其他运算符，可以构成复合赋值运算符。凡是二目运算符，都可以与赋值运算符一起组合成复合赋值运算符。C语言中有10种复合赋值运算符，即+=、-=、*=、/=、%=、<<=、>>=、&=、^=、|=。其中，后5种是有关位运算的，将在后面章节学习。

使用复合赋值运算符，按照一般赋值表达式的形式，可构造出各种表达式。下面是使用复合赋值运算符构造表达式的例子：

a+=3 等价于a=a+3

x*=y+8 等价于x=x*(y+8)

x%=3 等价于x=x%3

赋值表达式中可以包含复合赋值运算符。例如下面的表达式是一个正确的赋值表达式：

a+=a-=a*a

如果a的初值为12，此赋值表达式的求解步骤如下：

(1)进行a-=a*a的运算，相当于a=a-a*a，a的值是12-144=-132；

(2)进行a+=-132的运算，相当于a=a+(-132)，a的值为-132+(-132)=-264。

2.4.4逗号运算符与表达式

C语言中“,”也可以作为一种运算符，用它将两个以上表达式连接起来就构成了逗号表达式。逗号表达式的一般形式为

表达式1,表达式2,表达式3,…,表达式n

逗号运算符的作用是将若干表达式“串联”起来，确定这些表达式的求值顺序。逗号表达式的求值顺序是从左到右依次求表达式1，表达式2，…，最后求表达式n的值。逗号运算符在C语言的所有运算符中优先级最低，具有左结合性(见附录C)。事实上，它仅能确定被连接表达式的求值顺序。但它作为一个表达式，应该具有值。逗号表达式的值是最后一个表达式的值。

一个逗号表达式可以作为逗号表达式中的表达式，构成复合逗号表达式。例如：

(a=3*5,a*4),a+5

把(a=3*5，a*4)作为逗号表达式的表达式1，a+5作为逗号表达式的表达式2。(a=3*5，a*4)又是一个逗号表达式，先处理a=3*5，得到a的值15，再处理a*4，运算结果为60,然后处理a+5，得到20。所以整个表达式的值为20。

逗号表达式的求值，尤其是复合逗号表达式的求值不容易理解。下面通过程序的运行来验证上述表达式的求值。

其实，逗号表达式无非是把若干个表达式“串联”起来。在许多情况下，使用逗号表达式的目的只是想分别得到各个表达式的值，而非一定需要得到整个逗号表达式的值。逗号表达式最常用于循环语句(for语句)中，详见第5章。

注意：逗号在逗号表达式中是运算符，但在C语言中也有不作为运算符使用的情况