Типы данных в C и форматированный вывод

На сегодняшнем занятии мы разберем особенности функции printf() и различные типы данных: целочисленные и вещественные числа, символы, массивы и строки. Однако в языке C существуют и другие типы данных, такие как указатели, структуры, объединения, перечисления и есть возможность создавать пользовательские типы данных.

Для вывода символов на экран или в стандартный поток вывода в языке C используется функция printf(). Она принимает строку как первый аргумент и заменяет специальные символы в этой строке данными, переданными следующими аргументами. Эти данные могут быть представленными в виде строк, символов, целых или вещественных чисел, а также указателей. Каждый тип данных имеет свой формат спецификации.

В прошлом уроке мы выводили строку "Hello World" следующим образом:

printf("Hello World\n");

Этого же эффекта можно добиться так:

printf("%s\n", "Hello World");

Спецификатор %s означает, что вместо него будет подставлен следующий аргумент, данные которого должны быть строкой. Для вывода целого числа применяется следующий код:

printf("%d\n", 5);

Вместо значения 5 может быть использована переменная целочисленного типа. Функция printf() позволяет использовать произвольное количество аргументов:

printf("%d %s, %d %s.\n", 3, "dogs", 2, "cats");

Данные подставляются в порядке следования: число 3 помещается на место первого спецификатора, "dogs" — на место второго и так далее. Следует внимательно соблюдать соответствие форматов и данных.

Иногда необходимо зарезервировать больше пространства под вывод данных, чем требуется. Число между символом % и форматом указывает ширину поля, например, %10d. По умолчанию текст выравнивается по правому краю, но добавив знак минус перед числом, можно изменить выравнивание на левое.

Язык C предлагает несколько типов для работы с целыми числами, различающихся объемом памяти, выделяемой под переменную, а также допускаемым диапазоном значений. Объем памяти определяет, какое максимальное значение можно хранить в данной переменной. Стоит помнить, что количество выделенной под тип памяти может зависеть от операционной системы.

К примеру, если переменной целочисленного типа выделяется 2 байта (что составляет 16 бит) и она принимает только неотрицательные числа, диапазон значений будет от 0 до 65535. Если же тип позволяет отрицательные значения, диапазон будет от -32768 до +32767.

На практике часто используется тип int. Пример объявления и инициализации целочисленных переменных, а также вывода их значений:

#include <stdio.h>
int main() {
    int lines, i;
    int count = 0;
 
    lines = 100;
    i = -1;
    printf("%5d %5d %5d\n", i, count+10, lines);
}

Заметьте, что в языке C можно присвоить значение переменной прямо при ее объявлении.

Обычно под int, который может принимать как положительные, так и отрицательные значения, выделяется 4 байта (32 бита). Это позволяет хранить значения от -2 147 483 648 до 2 147 483 647. Даже если в коде языка C переменной int max будет присвоено максимально допустимое значение, а потом это значение превысится, ошибки не будет ни на этапе компиляции, ни при выполнении программы.

#include <stdio.h>
 
int main() {
    int max = 2147483647;
 
    printf("%d\n", max+1);
    printf("%d\n", max+2);
    printf("%d\n", max+10);
}

Результат выведется таким образом:

-2147483648
-2147483647
-2147483639

Эффект объясняется тем, что числовая ось представляется как круг. Достигнув конца в одном направлении, мы возвращаемся к началу с противоположной стороны. Таким образом, перевысив максимальное значение, мы увидим минимальное.

Аналогично для минимума int. Если попробовать выделить больше, то результат снова перевернется.

#include <stdio.h>
 
int main() {
    int min = -2147483648;
 
    printf("%d\n", min-1);
    printf("%d\n", min-2);
    printf("%d\n", min-10);
}

Получаем:

2147483647
2147483646
2147483638

В C помимо int существуют другие целочисленные типы:

• short — выделяется меньше байтов, чем для int;

• long — выделяется больше байтов, чем для int; это зависит от системы;

• unsigned — такой же размер как у int, но отсутствуют отрицательные значения, что увеличивает диапазон положительных;

• unsigned short;

• unsigned long.

При работе с длинными числами, спецификацию формата дополняют буквой l. Например:

printf("%ld\n",i);
printf("%15ld\n",i);

Символьный тип данных занимает 1 байт. Каждый символ имеет собственное целое число в таблице ASCII.

Тип char в C охватывает диапазон от -128 до 127. Значения от 0 до 127 можно выводить как символы, если же значение указывает на символ, оно заключено в одиночные кавычки, например: 'w'. Еще имеется тип unsigned char с диапазоном от 0 до 255.

Также можно использовать целые числа, такие как int или short, чьи значения выводятся как символы, если они находятся в соответствующем диапазоне. Таким переменным можно присваивать символы.

Целые числа до 127 или 255 можно разместить в char или unsigned char для экономии памяти.

В языке C символы и числа взаимозаменяемы. Для вывода символов используется формат %c.

Следующая программа:

#include <stdio.h>
main() {
    char ch = 63;
    unsigned char uch = 'r';
    short j = 'b', k = 99;
 
    printf("%c == %d\n", ch, ch);
    printf("%c == %d\n", uch, uch);
    printf("%c, %c\n", j, k);
}

выводит:

? == 63
r == 114
b, c

В таблице ASCII число 63 соответствует знаку '?'. Сначала выводится переменная ch как символ, затем как число. Аналогично с uch, хотя оно и было задано через символ.

В языке C определены три типа чисел с плавающей точкой: float, double и long double. Для вывода вещественных чисел доступны три формата, не зависящих от типов, но связанных с удобством отображения. Вещественные числа могут иметь высокую точность и широкий диапазон значений. Если воспользоваться printf() с такими параметрами:

double a = 0.0005;
printf("%f\n", a);
printf("%g\n", 0.0005);
printf("%g\n", 0.00005);
printf("%e\n", 0.0005);

, то увидите такой результат:

0.000500
0.0005
5e-05
5.000000e-04 

При %f число отображается в обычном формате с точностью до шести знаков после запятой по умолчанию.

Для %g число выводится в нормальном виде, если значимые нули не превышают четырех. В случае превышения они, как и в третьем примере, выходят в экспоненциальной записи 5e-5, что означает 5 * 10^-5, равно 0.00005. Аналогично для большого числа, представляющего 4325, в виде 4.325e+3, что эквивалентно 4.325 * 10³. Для дополнительных сведений можно изучить статью на Википедии «Экспоненциальная запись».

Формат %e всегда выдает число в нормализованной форме.

Чтобы округлить число до необходимой точности, перед буквой формата указывают количество знаков, например, printf("%.2f", 0.23) выведет 0.23. Когда необходимо указать ширину поля, этот параметр записывают перед точкой, к примеру, %10.3f.

Переменные-массивы объявляются в C следующим образом:

int arr[5], nums[N];
 
float f_arr[100];
 
char str[80];

Если для размера массива используется константа, она должна быть определена заранее, как правило, вне функций:

#define N 100

#define — команда препроцессора, применяемая не только для констант. Препроцессор заменяет все упоминания константы ее значением при обработке исходного кода программы.

Индексы массивов в языке C начинаются с нуля.

Значения элементам массивов присваиваются сразу или в процессе выполнения кода. Пример:

char vowels[] = {'a', 'e', 'i', 'o', 'u', 'y'};
float f_arr[6];
 
f_arr[0] = 25.3;
f_arr[4] = 34.2;
printf("%c, %.2f\n", vowels[4], f_arr[0]);

Когда переменная-массив объявляется и определяется одновременно, как vowels, то размер массива указывать не обязательно, он определяется автоматичесkи по количеству элементов в инициализаторе.

Несмотря на наличие спецификатора вывода строк %s, в языке C отсутствует отдельный строковой тип данных. Строки в C представляют собой массивы символов, последний из которых — это символ '\0', обозначающий конец строки.

Строки отличаются от числовых массивов в C, и работа с ними требует отдельного подхода. Мы еще вернемся к этому.

Ранее мы объявили массив vowels. Если определить его так:

char vowels[] = {'a', 'e', 'i', 'o', 'u', 'y', '\0'};

или так:

char vowels1[] = "aeiouy";

то он будет являться строкой. Во втором примере, кавычки указывают, что это строка, и завершающий символ '\0' добавляется автоматически.

Вывод массивов символов возможен, просто указав имя переменной, однако это не работает с массивами чисел:

printf("%s\n", vowels);
 
printf("%f\n", f_arr); // ошибка

Функция sizeof() в языке C возвращает количество байт, выделяемых памяти под указанный аргумент — это может быть константа, тип данных или переменная.

Для отображения результата, возвращенного sizeof(), используется формат %lu (беззнаковое длинное целое). Примеры:

int a = 10;
 
int b[100];
 
printf("Integer: %lu \n", sizeof(a));
 
printf("Float: %lu \n", sizeof(float));
 
printf("Array of 100 integers: %lu \n", sizeof(b));

Создайте программу, которая выводит информацию о выделяемых в памяти байтах под типы данных, изученные в этом уроке. Помните, что при использовании массивов символов, определяемых через строковые литералы (в двойных кавычках), встроенный '\0' увеличивает размер массива на единицу.