Go 語(yǔ)言 整型

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

3.1. 整型

Go語(yǔ)言的數(shù)值類(lèi)型包括幾種不同大小的整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)和復(fù)數(shù)。每種數(shù)值類(lèi)型都決定了對(duì)應(yīng)的大小范圍和是否支持正負(fù)符號(hào)。讓我們先從整數(shù)類(lèi)型開(kāi)始介紹。

Go語(yǔ)言同時(shí)提供了有符號(hào)和無(wú)符號(hào)類(lèi)型的整數(shù)運(yùn)算。這里有int8、int16、int32和int64四種截然不同大小的有符號(hào)整數(shù)類(lèi)型，分別對(duì)應(yīng)8、16、32、64bit大小的有符號(hào)整數(shù)，與此對(duì)應(yīng)的是uint8、uint16、uint32和uint64四種無(wú)符號(hào)整數(shù)類(lèi)型。

這里還有兩種一般對(duì)應(yīng)特定CPU平臺(tái)機(jī)器字大小的有符號(hào)和無(wú)符號(hào)整數(shù)int和uint；其中int是應(yīng)用最廣泛的數(shù)值類(lèi)型。這兩種類(lèi)型都有同樣的大小，32或64bit，但是我們不能對(duì)此做任何的假設(shè)；因?yàn)椴煌木幾g器即使在相同的硬件平臺(tái)上可能產(chǎn)生不同的大小。

Unicode字符rune類(lèi)型是和int32等價(jià)的類(lèi)型，通常用于表示一個(gè)Unicode碼點(diǎn)。這兩個(gè)名稱(chēng)可以互換使用。同樣byte也是uint8類(lèi)型的等價(jià)類(lèi)型，byte類(lèi)型一般用于強(qiáng)調(diào)數(shù)值是一個(gè)原始的數(shù)據(jù)而不是一個(gè)小的整數(shù)。

最后，還有一種無(wú)符號(hào)的整數(shù)類(lèi)型uintptr，沒(méi)有指定具體的bit大小但是足以容納指針。uintptr類(lèi)型只有在底層編程時(shí)才需要，特別是Go語(yǔ)言和C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)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(guān)部分看到類(lèi)似的例子。

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

其中有符號(hào)整數(shù)采用2的補(bǔ)碼形式表示，也就是最高bit位用來(lái)表示符號(hào)位，一個(gè)n-bit的有符號(hào)數(shù)的值域是從$-2^{n-1}$到$2^{n-1}-1$。無(wú)符號(hào)整數(shù)的所有bit位都用于表示非負(fù)數(shù)，值域是0到$2^n-1$。例如，int8類(lèi)型整數(shù)的值域是從-128到127，而uint8類(lèi)型整數(shù)的值域是從0到255。

下面是Go語(yǔ)言中關(guān)于算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和比較運(yùn)算的二元運(yùn)算符，它們按照優(yōu)先級(jí)遞減的順序排列：

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

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

對(duì)于上表中前兩行的運(yùn)算符，例如+運(yùn)算符還有一個(gè)與賦值相結(jié)合的對(duì)應(yīng)運(yùn)算符+=，可以用于簡(jiǎn)化賦值語(yǔ)句。

算術(shù)運(yùn)算符+、-、*和/可以適用于整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)和復(fù)數(shù)，但是取模運(yùn)算符%僅用于整數(shù)間的運(yùn)算。對(duì)于不同編程語(yǔ)言，%取模運(yùn)算的行為可能并不相同。在Go語(yǔ)言中，%取模運(yùn)算符的符號(hào)和被取模數(shù)的符號(hào)總是一致的，因此-5%3和-5%-3結(jié)果都是-2。除法運(yùn)算符/的行為則依賴(lài)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?yàn)檎麛?shù)除法會(huì)向著0方向截?cái)嘤鄶?shù)。

一個(gè)算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果，不管是有符號(hào)或者是無(wú)符號(hào)的，如果需要更多的bit位才能正確表示的話(huà)，就說(shuō)明計(jì)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(hào)類(lèi)型，而且最左邊的bit位是1的話(huà)，那么最終結(jié)果可能是負(fù)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(gè)相同的整數(shù)類(lèi)型可以使用下面的二元比較運(yùn)算符進(jìn)行比較；比較表達(dá)式的結(jié)果是布爾類(lèi)型。

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

事實(shí)上，布爾型、數(shù)字類(lèi)型和字符串等基本類(lèi)型都是可比較的，也就是說(shuō)兩個(gè)相同類(lèi)型的值可以用==和!=進(jìn)行比較。此外，整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)和字符串可以根據(jù)比較結(jié)果排序。許多其它類(lèi)型的值可能是不可比較的，因此也就可能是不可排序的。對(duì)于我們遇到的每種類(lèi)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(yùn)算符：

+      一元加法（無(wú)效果）
-      負(fù)數(shù)

對(duì)于整數(shù)，+x是0+x的簡(jiǎn)寫(xiě)，-x則是0-x的簡(jiǎn)寫(xiě)；對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)和復(fù)數(shù)，+x就是x，-x則是x 的負(fù)數(shù)。

Go語(yǔ)言還提供了以下的bit位操作運(yùn)算符，前面4個(gè)操作運(yùn)算符并不區(qū)分是有符號(hào)還是無(wú)符號(hào)數(shù)：

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

位操作運(yùn)算符^作為二元運(yùn)算符時(shí)是按位異或（XOR），當(dāng)用作一元運(yùn)算符時(shí)表示按位取反；也就是說(shuō)，它返回一個(gè)每個(gè)bit位都取反的數(shù)。位操作運(yùn)算符&^用于按位置零（AND NOT）：如果對(duì)應(yīng)y中bit位為1的話(huà)，表達(dá)式z = x &^ y結(jié)果z的對(duì)應(yīng)的bit位為0，否則z對(duì)應(yīng)的bit位等于x相應(yīng)的bit位的值。

下面的代碼演示了如何使用位操作解釋uint8類(lèi)型值的8個(gè)獨(dú)立的bit位。它使用了Printf函數(shù)的%b參數(shù)打印二進(jìn)制格式的數(shù)字；其中%08b中08表示打印至少8個(gè)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(gè)可以遠(yuǎn)大于一個(gè)字節(jié)的整數(shù)集的實(shí)現(xiàn)。）

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

左移運(yùn)算用零填充右邊空缺的bit位，無(wú)符號(hào)數(shù)的右移運(yùn)算也是用0填充左邊空缺的bit位，但是有符號(hào)數(shù)的右移運(yùn)算會(huì)用符號(hào)位的值填充左邊空缺的bit位。因?yàn)檫@個(gè)原因，最好用無(wú)符號(hào)運(yùn)算，這樣你可以將整數(shù)完全當(dāng)作一個(gè)bit位模式處理。

盡管Go語(yǔ)言提供了無(wú)符號(hào)數(shù)的運(yùn)算，但即使數(shù)值本身不可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)，我們還是傾向于使用有符號(hào)的int類(lèi)型，就像數(shù)組的長(zhǎng)度那樣，雖然使用uint無(wú)符號(hào)類(lèi)型似乎是一個(gè)更合理的選擇。事實(shí)上，內(nèi)置的len函數(shù)返回一個(gè)有符號(hào)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(gè)選擇對(duì)于上面的例子來(lái)說(shuō)將是災(zāi)難性的。如果len函數(shù)返回一個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)，那么i也將是無(wú)符號(hào)的uint類(lèi)型，然后條件i >= 0則永遠(yuǎn)為真。在三次迭代之后，也就是i == 0時(shí)，i--語(yǔ)句將不會(huì)產(chǎn)生-1，而是變成一個(gè)uint類(lèi)型的最大值（可能是$2^64-1$），然后medals[i]表達(dá)式運(yùn)行時(shí)將發(fā)生panic異常（§5.9），也就是試圖訪問(wèn)一個(gè)slice范圍以外的元素。

出于這個(gè)原因，無(wú)符號(hào)數(shù)往往只有在位運(yùn)算或其它特殊的運(yùn)算場(chǎng)景才會(huì)使用，就像bit集合、分析二進(jìn)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(dá)非負(fù)數(shù)量的場(chǎng)合。

一般來(lái)說(shuō)，需要一個(gè)顯式的轉(zhuǎn)換將一個(gè)值從一種類(lèi)型轉(zhuǎn)化為另一種類(lèi)型，并且算術(shù)和邏輯運(yùn)算的二元操作中必須是相同的類(lèi)型。雖然這偶爾會(huì)導(dǎo)致需要很長(zhǎng)的表達(dá)式，但是它消除了所有和類(lèi)型相關(guān)的問(wèn)題，而且也使得程序容易理解。

在很多場(chǎng)景，會(huì)遇到類(lèi)似下面代碼的常見(jiàn)的錯(cuò)誤：

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

當(dāng)嘗試編譯這三個(gè)語(yǔ)句時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信息：

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

這種類(lèi)型不匹配的問(wèn)題可以有幾種不同的方法修復(fù)，最常見(jiàn)方法是將它們都顯式轉(zhuǎn)型為一個(gè)常見(jiàn)類(lèi)型：

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

如2.5節(jié)所述，對(duì)于每種類(lèi)型T，如果轉(zhuǎn)換允許的話(huà)，類(lèi)型轉(zhuǎn)換操作T(x)將x轉(zhuǎn)換為T(mén)類(lèi)型。許多整數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換并不會(huì)改變數(shù)值；它們只是告訴編譯器如何解釋這個(gè)值。但是對(duì)于將一個(gè)大尺寸的整數(shù)類(lèi)型轉(zhuǎn)為一個(gè)小尺寸的整數(shù)類(lèi)型，或者是將一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)為整數(shù)，可能會(huì)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(kāi)始的八進(jìn)制格式書(shū)寫(xiě)，例如0666；或用以0x或0X開(kāi)頭的十六進(jìn)制格式書(shū)寫(xiě)，例如0xdeadbeef。十六進(jìn)制數(shù)字可以用大寫(xiě)或小寫(xiě)字母。如今八進(jìn)制數(shù)據(jù)通常用于POSIX操作系統(tǒng)上的文件訪問(wèn)權(quán)限標(biāo)志，十六進(jìn)制數(shù)字則更強(qiáng)調(diào)數(shù)字值的bit位模式。

當(dāng)使用fmt包打印一個(gè)數(shù)值時(shí)，我們可以用%d、%o或%x參數(shù)控制輸出的進(jìn)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(qǐng)注意fmt的兩個(gè)使用技巧。通常Printf格式化字符串包含多個(gè)%參數(shù)時(shí)將會(huì)包含對(duì)應(yīng)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(gè)操作數(shù)。第二，%后的#副詞告訴Printf在用%o、%x或%X輸出時(shí)生成0、0x或0X前綴。

字符面值通過(guò)一對(duì)單引號(hào)直接包含對(duì)應(yīng)字符。最簡(jiǎn)單的例子是ASCII中類(lèi)似'a'寫(xiě)法的字符面值，但是我們也可以通過(guò)轉(zhuǎn)義的數(shù)值來(lái)表示任意的Unicode碼點(diǎn)對(duì)應(yīng)的字符，馬上將會(huì)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(hào)的字符：

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