Go 語言 整型

原文鏈接：https://gopl-zh.github.io/ch3/ch3-01.html

3.1. 整型

Go語言的數(shù)值類型包括幾種不同大小的整數(shù)、浮點數(shù)和復數(shù)。每種數(shù)值類型都決定了對應的大小范圍和是否支持正負符號。讓我們先從整數(shù)類型開始介紹。

Go語言同時提供了有符號和無符號類型的整數(shù)運算。這里有int8、int16、int32和int64四種截然不同大小的有符號整數(shù)類型，分別對應8、16、32、64bit大小的有符號整數(shù)，與此對應的是uint8、uint16、uint32和uint64四種無符號整數(shù)類型。

這里還有兩種一般對應特定CPU平臺機器字大小的有符號和無符號整數(shù)int和uint；其中int是應用最廣泛的數(shù)值類型。這兩種類型都有同樣的大小，32或64bit，但是我們不能對此做任何的假設；因為不同的編譯器即使在相同的硬件平臺上可能產(chǎn)生不同的大小。

Unicode字符rune類型是和int32等價的類型，通常用于表示一個Unicode碼點。這兩個名稱可以互換使用。同樣byte也是uint8類型的等價類型，byte類型一般用于強調(diào)數(shù)值是一個原始的數(shù)據(jù)而不是一個小的整數(shù)。

最后，還有一種無符號的整數(shù)類型uintptr，沒有指定具體的bit大小但是足以容納指針。uintptr類型只有在底層編程時才需要，特別是Go語言和C語言函數(shù)庫或操作系統(tǒng)接口相交互的地方。我們將在第十三章的unsafe包相關部分看到類似的例子。

不管它們的具體大小，int、uint和uintptr是不同類型的兄弟類型。其中int和int32也是不同的類型，即使int的大小也是32bit，在需要將int當作int32類型的地方需要一個顯式的類型轉(zhuǎn)換操作，反之亦然。

其中有符號整數(shù)采用2的補碼形式表示，也就是最高bit位用來表示符號位，一個n-bit的有符號數(shù)的值域是從$-2^{n-1}$到$2^{n-1}-1$。無符號整數(shù)的所有bit位都用于表示非負數(shù)，值域是0到$2^n-1$。例如，int8類型整數(shù)的值域是從-128到127，而uint8類型整數(shù)的值域是從0到255。

下面是Go語言中關于算術運算、邏輯運算和比較運算的二元運算符，它們按照優(yōu)先級遞減的順序排列：

*      /      %      <<       >>     &       &^
+      -      |      ^
==     !=     <      <=       >      >=
&&
||

二元運算符有五種優(yōu)先級。在同一個優(yōu)先級，使用左優(yōu)先結(jié)合規(guī)則，但是使用括號可以明確優(yōu)先順序，使用括號也可以用于提升優(yōu)先級，例如mask & (1 << 28)。

對于上表中前兩行的運算符，例如+運算符還有一個與賦值相結(jié)合的對應運算符+=，可以用于簡化賦值語句。

算術運算符+、-、*和/可以適用于整數(shù)、浮點數(shù)和復數(shù)，但是取模運算符%僅用于整數(shù)間的運算。對于不同編程語言，%取模運算的行為可能并不相同。在Go語言中，%取模運算符的符號和被取模數(shù)的符號總是一致的，因此-5%3和-5%-3結(jié)果都是-2。除法運算符/的行為則依賴于操作數(shù)是否全為整數(shù)，比如5.0/4.0的結(jié)果是1.25，但是5/4的結(jié)果是1，因為整數(shù)除法會向著0方向截斷余數(shù)。

一個算術運算的結(jié)果，不管是有符號或者是無符號的，如果需要更多的bit位才能正確表示的話，就說明計算結(jié)果是溢出了。超出的高位的bit位部分將被丟棄。如果原始的數(shù)值是有符號類型，而且最左邊的bit位是1的話，那么最終結(jié)果可能是負的，例如int8的例子：

var u uint8 = 255
fmt.Println(u, u+1, u*u) // "255 0 1"

var i int8 = 127
fmt.Println(i, i+1, i*i) // "127 -128 1"

兩個相同的整數(shù)類型可以使用下面的二元比較運算符進行比較；比較表達式的結(jié)果是布爾類型。

==    等于
!=    不等于
<     小于
<=    小于等于
>     大于
>=    大于等于

事實上，布爾型、數(shù)字類型和字符串等基本類型都是可比較的，也就是說兩個相同類型的值可以用==和!=進行比較。此外，整數(shù)、浮點數(shù)和字符串可以根據(jù)比較結(jié)果排序。許多其它類型的值可能是不可比較的，因此也就可能是不可排序的。對于我們遇到的每種類型，我們需要保證規(guī)則的一致性。

這里是一元的加法和減法運算符：

+      一元加法（無效果）
-      負數(shù)

對于整數(shù)，+x是0+x的簡寫，-x則是0-x的簡寫；對于浮點數(shù)和復數(shù)，+x就是x，-x則是x 的負數(shù)。

Go語言還提供了以下的bit位操作運算符，前面4個操作運算符并不區(qū)分是有符號還是無符號數(shù)：

&      位運算 AND
|      位運算 OR
^      位運算 XOR
&^     位清空（AND NOT）
<<     左移
>>     右移

位操作運算符^作為二元運算符時是按位異或（XOR），當用作一元運算符時表示按位取反；也就是說，它返回一個每個bit位都取反的數(shù)。位操作運算符&^用于按位置零（AND NOT）：如果對應y中bit位為1的話，表達式z = x &^ y結(jié)果z的對應的bit位為0，否則z對應的bit位等于x相應的bit位的值。

下面的代碼演示了如何使用位操作解釋uint8類型值的8個獨立的bit位。它使用了Printf函數(shù)的%b參數(shù)打印二進制格式的數(shù)字；其中%08b中08表示打印至少8個字符寬度，不足的前綴部分用0填充。

var x uint8 = 1<<1 | 1<<5
var y uint8 = 1<<1 | 1<<2

fmt.Printf("%08b\n", x) // "00100010", the set {1, 5}
fmt.Printf("%08b\n", y) // "00000110", the set {1, 2}

fmt.Printf("%08b\n", x&y)  // "00000010", the intersection {1}
fmt.Printf("%08b\n", x|y)  // "00100110", the union {1, 2, 5}
fmt.Printf("%08b\n", x^y)  // "00100100", the symmetric difference {2, 5}
fmt.Printf("%08b\n", x&^y) // "00100000", the difference {5}

for i := uint(0); i < 8; i++ {
    if x&(1<<i) != 0 { // membership test
        fmt.Println(i) // "1", "5"
    }
}

fmt.Printf("%08b\n", x<<1) // "01000100", the set {2, 6}
fmt.Printf("%08b\n", x>>1) // "00010001", the set {0, 4}

（6.5節(jié)給出了一個可以遠大于一個字節(jié)的整數(shù)集的實現(xiàn)。）

在x<<n和x>>n移位運算中，決定了移位操作的bit數(shù)部分必須是無符號數(shù)；被操作的x可以是有符號數(shù)或無符號數(shù)。算術上，一個x<<n左移運算等價于乘以$2^n$，一個x>>n右移運算等價于除以$2^n$。

左移運算用零填充右邊空缺的bit位，無符號數(shù)的右移運算也是用0填充左邊空缺的bit位，但是有符號數(shù)的右移運算會用符號位的值填充左邊空缺的bit位。因為這個原因，最好用無符號運算，這樣你可以將整數(shù)完全當作一個bit位模式處理。

盡管Go語言提供了無符號數(shù)的運算，但即使數(shù)值本身不可能出現(xiàn)負數(shù)，我們還是傾向于使用有符號的int類型，就像數(shù)組的長度那樣，雖然使用uint無符號類型似乎是一個更合理的選擇。事實上，內(nèi)置的len函數(shù)返回一個有符號的int，我們可以像下面例子那樣處理逆序循環(huán)。

medals := []string{"gold", "silver", "bronze"}
for i := len(medals) - 1; i >= 0; i-- {
    fmt.Println(medals[i]) // "bronze", "silver", "gold"
}

另一個選擇對于上面的例子來說將是災難性的。如果len函數(shù)返回一個無符號數(shù)，那么i也將是無符號的uint類型，然后條件i >= 0則永遠為真。在三次迭代之后，也就是i == 0時，i--語句將不會產(chǎn)生-1，而是變成一個uint類型的最大值（可能是$2^64-1$），然后medals[i]表達式運行時將發(fā)生panic異常（§5.9），也就是試圖訪問一個slice范圍以外的元素。

出于這個原因，無符號數(shù)往往只有在位運算或其它特殊的運算場景才會使用，就像bit集合、分析二進制文件格式或者是哈希和加密操作等。它們通常并不用于僅僅是表達非負數(shù)量的場合。

一般來說，需要一個顯式的轉(zhuǎn)換將一個值從一種類型轉(zhuǎn)化為另一種類型，并且算術和邏輯運算的二元操作中必須是相同的類型。雖然這偶爾會導致需要很長的表達式，但是它消除了所有和類型相關的問題，而且也使得程序容易理解。

在很多場景，會遇到類似下面代碼的常見的錯誤：

var apples int32 = 1
var oranges int16 = 2
var compote int = apples + oranges // compile error

當嘗試編譯這三個語句時，將產(chǎn)生一個錯誤信息：

invalid operation: apples + oranges (mismatched types int32 and int16)

這種類型不匹配的問題可以有幾種不同的方法修復，最常見方法是將它們都顯式轉(zhuǎn)型為一個常見類型：

var compote = int(apples) + int(oranges)

如2.5節(jié)所述，對于每種類型T，如果轉(zhuǎn)換允許的話，類型轉(zhuǎn)換操作T(x)將x轉(zhuǎn)換為T類型。許多整數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換并不會改變數(shù)值；它們只是告訴編譯器如何解釋這個值。但是對于將一個大尺寸的整數(shù)類型轉(zhuǎn)為一個小尺寸的整數(shù)類型，或者是將一個浮點數(shù)轉(zhuǎn)為整數(shù)，可能會改變數(shù)值或丟失精度：

f := 3.141 // a float64
i := int(f)
fmt.Println(f, i) // "3.141 3"
f = 1.99
fmt.Println(int(f)) // "1"

任何大小的整數(shù)字面值都可以用以0開始的八進制格式書寫，例如0666；或用以0x或0X開頭的十六進制格式書寫，例如0xdeadbeef。十六進制數(shù)字可以用大寫或小寫字母。如今八進制數(shù)據(jù)通常用于POSIX操作系統(tǒng)上的文件訪問權限標志，十六進制數(shù)字則更強調(diào)數(shù)字值的bit位模式。

當使用fmt包打印一個數(shù)值時，我們可以用%d、%o或%x參數(shù)控制輸出的進制格式，就像下面的例子：

o := 0666
fmt.Printf("%d %[1]o %#[1]o\n", o) // "438 666 0666"
x := int64(0xdeadbeef)
fmt.Printf("%d %[1]x %#[1]x %#[1]X\n", x)
// Output:
// 3735928559 deadbeef 0xdeadbeef 0XDEADBEEF

請注意fmt的兩個使用技巧。通常Printf格式化字符串包含多個%參數(shù)時將會包含對應相同數(shù)量的額外操作數(shù)，但是%之后的[1]副詞告訴Printf函數(shù)再次使用第一個操作數(shù)。第二，%后的#副詞告訴Printf在用%o、%x或%X輸出時生成0、0x或0X前綴。

字符面值通過一對單引號直接包含對應字符。最簡單的例子是ASCII中類似'a'寫法的字符面值，但是我們也可以通過轉(zhuǎn)義的數(shù)值來表示任意的Unicode碼點對應的字符，馬上將會看到這樣的例子。

字符使用%c參數(shù)打印，或者是用%q參數(shù)打印帶單引號的字符：

ascii := 'a'
unicode := '國'
newline := '\n'
fmt.Printf("%d %[1]c %[1]q\n", ascii)   // "97 a 'a'"
fmt.Printf("%d %[1]c %[1]q\n", unicode) // "22269 國 '國'"
fmt.Printf("%d %[1]q\n", newline)       // "10 '\n'"