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C语言新增stdint.h头文件的讨论，什么是“快”类型，什么是“小”类型？

 4 years ago
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C语言新增stdint.h头文件的讨论，什么是“快”类型，什么是“小”类型？

发表于 2019-11-05 08:11:52   |   已被 访问: 506 次   |   分类于:   C语言 , 杂谈   |   暂无评论

虽说C语言是一门很成熟的编程语言，但是近些年来也是有所发展的，从早期的C89到后来的C99、C11等新标准，C语言逐步增加了许多好用的功能，例如新标准头文件“stdint.h”的添加。

如果程序员希望写出可移植的C语言程序，首先最重要的一点是不能假定位宽。C语言标准并没有明确指定的 short、int、long 等类型的位宽，因此可能在某些平台 sizeof(int) 等于 2，在其他平台 sizeof(int) 等于 4，所以如果编写的C语言代码假定 sizeof(int) 是一个固定值，显然就属于不可移植的代码。

为了解决这样的问题，在新标准文件“stdint.h” 之前，程序员必须做些额外的工作，以确定C语言代码运行的平台的各种数据位宽，这样的工作着实烦人，稍不留神就会出错。

“stdint.h”头文件的添加就是为了便于程序员写出不假定位宽的程序的。其内部通过 typedef 和宏判断定义了不少好用的整数类型，例如 int8_t 类型表示 8 位的有符号的整数类型，uint32_t 则表示 32 位的无符号的整数类型。类似的，还有 int16_t、int64_t、uint64_t 等类型，都是比较好理解的。

C语言中的“快”类型

不过，如果读者打开 stdint.h 头文件，应该能够看到一些更有趣的类型，如下图：

file

可以看出，这些类型被称作“fast type”，类型名中也有 fast 的字样（如 int_fast16_t），直译成中文即“快类型”，那么它们到底有什么含义呢？

观察力敏锐的读者应该发现了，int_fast16_t 和 int_fast32_t 其实是一样的，以上图黄框为例，它们都表示 int 类型，这是怎么回事呢？int 类型怎么能同时表示 16 位宽和 32 位宽的整数类型呢？

int 类型当然不能同时表示两种位宽的整数类型，事实上，int_fastxx_t 类型并不是准确的 xx 位宽类型，它表示不低于 xx 位宽的类型，因此，只要 int 的位宽大于或者等于 32 位，它就能同时表示 int_fast16_t 和 int_fast32_t 类型。

有读者看到这里可能会有疑问，如果 int 的位宽等于 32，那么使用它来表示 16 位宽的 int_fast16_t 整数类型，不是造成资源浪费了吗？

其实读者应将注意力放在“fast”一词上。CPU 从内存取数据一般是逐字取的，这里的“字”并不是字节的意思，在 32 位主机上，字长常常是 4 个字节，也即 CPU 单次取出数据的最小单位是 4 个字节。

字长也可以理解为 CPU 读取数据的“步长”。

也就是说，CPU 读取数据的“步长”是字长（下文以4字节为例），也就是说假设这次读取了地址 0~3 的数据，接下来若是希望读取相邻的数据，最接近的地址也得是地址 4~7。其实从这里可以看出，CPU 每次读取数据的起始地址都是字长的整数倍。

这也是“数据对齐”的原因——为了CPU读取数据的效率。

如果需要读取的数据只有一个字节（char 型），那么显然，无论该字节放在哪里，它总是在某个字长段的范围内的（例如地址 0~3，地址 4~7 内），此时 CPU 一次就能读取完毕。

如果需要读取的数据有两个字节（16bits），情况就不同了——它的地址可能是 3~4，而 CPU 读取数据的“步长”是 4 个字节，若要读取该值，CPU 只能先读取 0~3 字节的数据，再读取 4~7 字节的数据，最后还需要组合拼凑，才能得到该值。这样的一系列操作显然非常低效。

所以 stdint.h 将“快”类型定义为字长的整数倍的意图就一目了然了，无非就是牺牲一些“空间”换取“时间”。当然了，读者在使用“快类型”时需要注意：int_fast16_t 并不一定恰好是 16 位宽，它只是不少于 16 位宽的类型。

C语言中的“小”类型

前面提到，int_fastxx_t 类型牺牲了“空间”换取“时间”，如果在某个C语言项目中，“空间”效率并不是特别重要，而“空间”效率却非常重要，那么 int_fastxx_t 类型显然就不合适了。此时可以使用 stdint.h 中定义的 “small type”，也即“小类型”。

file

int_leastxx_t 系列的数据类型基本上保证了其恰好是 xx 位宽，避免了空间浪费，但是按照前文的分析，“小类型”付出的代价是损失了一部分时间效率。

本文主要讨论了C语言新增头文件“stdint.h”中定义的几种整数类型，并在此基础上讨论了“时间”效率和“空间”效率的矛盾。事实上，"stdint.h" 头文件中还定义了其他一些好用的宏，比如整数指针，各个数据类型的最大值和最小值等等，留给读者自己查看了。

// 详解下各种类型
https://stackoverflow.com/questions/9239558/what-is-the-difference-between-intxx-t-and-int-fastxx-t
https://stackoverflow.com/questions/tagged/c?tab=votes&page=124&pagesize=15

阅读更多:   C语言 , 杂谈


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