C語言新增stdint.h頭文件的討論什麼是快類型什麼是小類型

2020-12-18 酷扯兒

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雖說C語言是一門很成熟的程式語言，但是近些年來也是有所發展的，從早期的C89到後來的C99、C11等新標準，C語言逐步增加了許多好用的功能，例如新標準頭文件「stdint.h」的添加。

如果程式設計師希望寫出可移植的C語言程序，首先最重要的一點是不能假定位寬。C語言標準並沒有明確指定的 short、int、long 等類型的位寬，因此可能在某些平臺 sizeof(int) 等於 2，在其他平臺 sizeof(int) 等於 4，所以如果編寫的C語言代碼假定 sizeof(int) 是一個固定值，顯然就屬於不可移植的代碼。

為了解決這樣的問題，在新標準文件「stdint.h」 之前，程式設計師必須做些額外的工作，以確定C語言代碼運行的平臺的各種數據位寬，這樣的工作著實煩人，稍不留神就會出錯。

「stdint.h」頭文件的添加就是為了便於程式設計師寫出不假定位寬的程序的。其內部通過 typedef 和宏判斷定義了不少好用的整數類型，例如 int8_t 類型表示 8 位的有符號的整數類型，uint32_t 則表示 32 位的無符號的整數類型。類似的，還有 int16_t、int64_t、uint64_t 等類型，都是比較好理解的。

C語言中的「快」類型

不過，如果讀者打開 stdint.h 頭文件，應該能夠看到一些更有趣的類型，如下圖：

可以看出，這些類型被稱作「fast type」，類型名中也有 fast 的字樣（如 int_fast16_t），直譯成中文即「快類型」，那麼它們到底有什麼含義呢？

觀察力敏銳的讀者應該發現了，int_fast16_t 和 int_fast32_t 其實是一樣的，以上圖黃框為例，它們都表示 int 類型，這是怎麼回事呢？int 類型怎麼能同時表示 16 位寬和 32 位寬的整數類型呢？

int 類型當然不能同時表示兩種位寬的整數類型，事實上，int_fastxx_t 類型並不是準確的 xx 位寬類型，它表示不低於 xx 位寬的類型，因此，只要 int 的位寬大於或者等於 32 位，它就能同時表示 int_fast16_t 和 int_fast32_t 類型。

有讀者看到這裡可能會有疑問，如果 int 的位寬等於 32，那麼使用它來表示 16 位寬的 int_fast16_t 整數類型，不是造成資源浪費了嗎？

其實讀者應將注意力放在「fast」一詞上。CPU 從內存取數據一般是逐字取得，這裡的「字」並不是字節的意思，在 32 位主機上，字長常常是 4 個字節，也即 CPU 單次取出數據的最小單位是 4 個字節。

字長也可以理解為 CPU 讀取數據的「步長」。

也就是說，CPU 讀取數據的「步長」是字長（下文以4位元組為例），也就是說假設這次讀取了地址 0~3 的數據，接下來若是希望讀取相鄰的數據，最接近的地址也得是地址 4~7。其實從這裡可以看出，CPU 每次讀取數據的起始地址都是字長的整數倍。

這也是「數據對齊」的原因——為了CPU讀取數據的效率。

如果需要讀取的數據只有一個字節（char 型），那麼顯然，無論該字節放在哪裡，它總是在某個字長段的範圍內的（例如地址 0~3，地址 4~7 內），此時 CPU 一次就能讀取完畢。

如果需要讀取的數據有兩個字節（16bits），情況就不同了——它的地址可能是 3~4，而 CPU 讀取數據的「步長」是 4 個字節，若要讀取該值，CPU 只能先讀取 0~3 字節的數據，再讀取 4~7 字節的數據，最後還需要組合拼湊，才能得到該值。這樣的一系列操作顯然非常低效。

所以 stdint.h 將「快」類型定義為字長的整數倍的意圖就一目了然了，無非就是犧牲一些「空間」換取「時間」。當然了，讀者在使用「快類型」時需要注意：int_fast16_t 並不一定恰好是 16 位寬，它只是不少於 16 位寬的類型。

C語言中的「小」類型

前面提到，int_fastxx_t 類型犧牲了「空間」換取「時間」，如果在某個C語言項目中，「空間」效率並不是特別重要，而「空間」效率卻非常重要，那麼 int_fastxx_t 類型顯然就不合適了。此時可以使用 stdint.h 中定義的 「small type」，也即「小類型」。

int_leastxx_t 系列的數據類型基本上保證了其恰好是 xx 位寬，避免了空間浪費，但是按照前文的分析，「小類型」付出的代價是損失了一部分時間效率。

小結

本文主要討論了C語言新增頭文件「stdint.h」中定義的幾種整數類型，並在此基礎上討論了「時間」效率和「空間」效率的矛盾。事實上，"stdint.h" 頭文件中還定義了其他一些好用的宏，比如整數指針，各個數據類型的最大值和最小值等等，留給讀者自己查看了。

// 詳解下各種類型

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&pagesi

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