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程式設計

第2章型別、運算子、運算式

Types, Operators, and Expressions

蘇維宗 (Wei-Tsung Su)

suwt@au.edu.tw

564D

https://reurl.cc/DyWZQd

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目標

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2-1

變數與型別

專業的程式設計師會依據需求選擇適當的型別

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變數、型別、與物件

在程式語言中，變數(variable)是用來指向不同型別(type)且可以改變的資料物件(object)。依據型別的特性可以將程式語言分類

依確定型別的時間點分為

靜態型別(statically typed)語言在編譯(compiler-time)時確定變數型別(如，C語言)
動態型別(dynamically typed)語可在執行(run-time)時確定物件型別(如，Python)

依不同型別的變數是否能夠混用分為

弱型別(weakly typed)語言中不同型別的變數可以混用(如，C語言)
強型別(strongly typed)語言中不同型別的變數不可以混用(如，Python)

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變數(Variables)

C語言屬於靜態型別語言，所以定義變數時必須指定型別(type)，例如：

char 字元(或8位元的整數) character (例如，'C'、'S'、'I'、'E') �int 整數 integer (例如，125、–50)�short 短整數 (例如，25、–32)�long 長整數 (例如，36、–100)�float 單精準度實數 (例如，12.0、–365.25、0.625)�double 雙精準度實數 (例如，–12.0、365.25、0.625)

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定義變數

定義變數時要給定變數的(1)型別與(2)變數名稱，例如

int numOfStudents = 10; // 定義變數並給予初始值
int sumOfScores; // 定義沒有初始值的變數
float averageScore; // 定義沒有初始值的變數
char class = 'B'; // 用單引號來定義字元
char department[10] = "CSIE"; // 用雙引號來定義字串

提醒：有意義的變數命名有助於程式的可讀性。

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格式化輸出/輸入型別指定符號(Specifiers)

使用格式化輸出(printf)與輸入(scanf)時須注意對應的型別指定符號

char 字元(或8位元的整數) character %c�int 整數 integer %d�short 短整數 %d�long 長整數 %d�float 單精準度實數 %f�double 雙精準度實數 %f

注意!沒有使用對應的型別指定符號就無法正確輸出/輸入變數!

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Practice

練習在輸入/輸出正確的使用型別指定符號
為何以不正確的型別指定符號輸出/輸入變數會錯誤?

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格式化輸出/輸入變數

int numOfStudents = 10; // 定義變數並給予初始值
int sumOfScores; // 定義沒有初始值的變數
float averageScore; // 定義沒有初始值的變數
char class = 'B'; // 用單引號來定義字元
char department[10] = "CSIE"; // 用雙引號來定義字串
scanf("%d", &sumOfScore);
printf("%s %c\n", department, class);
printf("Number of student: %d\n", numOfStudents);
averageScore = sumOfScores / numOfStudents;
printf("Average score: %.2f\n", averageScore);

提醒：有意義的變數命名有助於程式的可讀性。

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如何得知型別(或變數)佔用多少記憶體空間?

所有在程式中定義的變數對會佔用記憶體。不同型別的變數會佔用的記憶體空間不同，使用sizeof()運算子可以取得不同型別(或變數)所佔用位元組(byte)的記憶體空間。

sizeoful.c

...
unsigned long stdId[60]; //可以儲存60個unsigned long變數
printf("Type unsigned long requires %d bytes\n", sizeof(unsigned long));
printf("Variable stdId requires %d bytes\n", sizeof(stdId));
...

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Preview Questions?

請問C語言還有哪些標準型別?
為什麼整數有那麼多種型別?
單精準度實數與雙精準度實數有什麼差異?

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定義正整數

透過unsigned修飾字可定義正整數(>=0)，例如：

unsigned char num1 = 255; // 10進位數字� unsigned int num2 = 0xFF; // 16進位數字� unsigned short num3 = 0377; // 8進位數字� unsigned int num4 = 2.55e2; // 科學記號表示� unsigned long num5 = 4294967295;

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*如何更精確的使用整數型別?

因為int,long等變數佔用的記憶體會隨著機器而不同，所以用起來有一些不確定性。這時候可以考慮使用標準整數型態函式庫(stdint)。

sizeofstdint.c

...
#include<stdint.h>
...
uint64_t stdId[60];
printf("Type uint64_t requires %d bytes\n", sizeof(uint64_t));
printf("Variable stdId requires %d bytes\n", sizeof(stdId));
...

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溢位(Overflow)

電腦運算後的結果無法以所配置的記憶體空間儲存時會發生溢位。

overflow.c

...
int8_t num = 125; // two's compliment in 8 bits (-128 ~ 127)
...
num = num + input; // if(input >= 3) overflow!
...

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Review Questions?

有沒有加上unsigned有什麼差異?
整數型別的範圍?

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實數(遵循IEEE 754浮點數運算標準)

單精準度(32位元)�float num1 = 15.7;

雙精準度(64位元)�double num2 = 0.001;

注意! 實數無法使用unsigned修飾字

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字元與字串

字元(character)�char class = 'B';

字串(string)�char name[] = "Bob";

請撰寫程式取得class與name變數分別所占用的記憶體空間大小?

name[0]	name[1]	name[2]	name[3]
B	o	b	\0

'\0'為字串結束字元

printf("%s", name); //列印到'\0'為止

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*字串的輸入與輸出

hellostring.c

...
char name[10];
char greeting[] = "Hello,";
...
scanf("%s", name);
printf("%s %s\n", greeting, name);
...

問題：

怎麼用目前學會的程式技巧將輸出

Hello, <name>

改成

Hi, <name>

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型別轉換(Type Conversion)

C語言屬於弱型別語言，所以變數的型別是可以被改變的

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型別轉換(透過函式庫)

例如，如何將字串"123"轉成整數123?�在標準函式庫(stdlib)中有提供atoi函式可以將字串轉成整數。

int atoi(const char *str);

atoitest.c

...
char strNum[] = "123";
printf("strNum = %s\n", strNum);
printf("atoi(strNum) + 3 = %d\n", atoi(strNum) + 3);
...

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強制轉型

C語言屬於也支援強制轉型的語法

(型別)運算式

例如，下面的程式碼可以將int變數強制轉型成float整數

int num = 21;
printf("num = %d\n", num / 2);
printf("num = %f\n", (float)num / 2);

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變數的可視範圍(Scope)

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變數的可視範圍

變數的可視範圍(scope)是能夠存取該變數的程式區間。

依據可視範圍的不同，變數主要可分為三大類

全域變數(global variable) 整個原始檔案都可以存取
區域變數(local variable) 只有定義該變數的函式可以存取
區塊變數(block variable) 只有定義該變數的程式區塊可以存取

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全域變數

定義在所有函式(包含main)之外的變數，其可視範圍是

從變數定義之後

到整個檔案結束

varscope.c

...
int globalVar = 2;
...
int main() {
...
}
...
int power(int num, int exp) {
...
}

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主函式區域變數

定義在單一函式(如主函式main)之內的變數，其可視範圍是

從變數定義之後

到整個函式結束

varscope.c

...
int main() {
...
int localVar = 4;
...
}
...
int power(int num, int exp) {
...
}

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副函式區域變數

定義在單一函式(如副函式power)之內的變數，其可視範圍是

從變數定義之後

到整個函式結束

varscope.c

...
int main() {
...
}
...
int power(int num, int exp) {
int result = 1;
...
}

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區塊變數

定義在單一程式區塊之內的變數，其可視範圍是

從變數定義之後

到整個程式區塊結束

varscope.c

...
int main() {
...
if(globalVar < 100) {
int blockVar;
...
}
...
}
...

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相同名稱的變數

同一個可視範圍中不可定義相同名稱的變數。

在不同可視範園中允許定義相同名稱的變數，但其優先順序為

區塊變數 > 區域變數 > 全域變數

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Practice

試試看在同一個變數可視範圍定義名稱相同的變數?
試試看在不同的變數可視範圍定義名稱相同的變數?

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變數的修飾字

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變數修飾字：const

在變數定義前加上const修飾字代表此變數無法再被改變。

例如：

const int maxScore = 100;
maxSxore = 150; // error

請問編譯器出現的錯誤是什麼意思?

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變數修飾字：static

在變數定義前加上static修飾字代表此變數會一直存在記憶體中直到程式結束為止。

staticvar.c

...
void static_count() {
static uint8_t num = 0;
printf("num = %d\n", num);
num = num + 1;
}
...

第一次呼叫static_count()後會在整個程式結束之前將num變數(初始值為0)保存在記憶體中。

因此，當再次呼叫static_count()時，會繼續使用已經存在記憶體中的num變數。

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2-2

運算子(Operator)

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運算子的種類

算術運算子：+ - * / %
指派運算子：= += -= *= /= %=
遞增運算子：++
遞減運算子：--
位元運算子：<< >> & | ^ ~
關係運算子：< <= > >= == !=
邏輯運算子：&& || !
條件運算子：?:
...

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算術運算子

回傳對運算元進行算術運算後的結果，例如� int num1 = 5, num2 = 2;

+ 加 printf("%d\n", num1 + num2); // ?�- 減 printf("%d\n", num1 - num2); // ?�* 乘 printf("%d\n", num1 * num2); // ?�/ 除 printf("%f\n", (float)num1 / num2); // ?�% 模除 printf("%d\n", num1 % num2); // ?

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練習：計算王

隨機出一題加法運算，給定被加數與答案，請使用者輸入加數。如果使用者答對輸出YES，否則輸出NO. ANS=[答案]

如何隨機產生數字?

#include<math.h>

#include<time.h>

...

//以時間為種子產生亂數

srand(time(NULL));

//產生0 ~ 99的亂數

int num = rand() % 100;

輸入輸出

50+B=100� B=50 YES

55+B=30� B=-20 NO. ANS=-25

藍字部分為使用者輸入

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指派運算子

將運算子右邊運算式的結果指派給運算子左邊的運算元，例如� int32_t num1 = 5, num2 = 2;

= 指派 num1 = num2; // num1 = ? �+= 加指派 num1 += num2; // ≡ num1 = num1 + num2 ?�-= 減指派 num1 -= num2; // ≡ num1 = num1 - num2 ?�*= 乘指派 num1 *= num2; // ≡ num1 = num1 * num2 ?�/= 除指派 num1 /= num2; // ≡ num1 = num1 / num2 ?�%= 模除指派 num1 %= num2; // ≡ num1 = num1 % num2 ?

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遞增(減)運算子

直接對運算元加1(減1)，例如� int32_t num = 5;

++ 遞增 num++; // ≡ num = num + 1 = ?� ++num; // ≡ num = num + 1 = ?�-- 遞減 num--; // ≡ num = num - 1 = ?� --num; // ≡ num = num - 1 = ?

問題：num++與++num有什麼不同?

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練習：計算兩整數間所有整數的總和

試寫一個程式，輸入兩個整數，並計算兩整數間所有整數的總和。

輸入輸出

10 100 5005

10 1 55

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位元運算子

回傳對運算元進行位元運算後的結果，例如� char pat1 = 0x11, pat2 = 0x21;

<< 左移運算 char pat = pat1 << 1; // pat = ? �>> 右移運算 char pat = pat1 >> 2; // pat = ?�& AND運算 char pat = pat1 & pat2; // pat = ?�| OR運算 char pat = pat1 | pat2; // pat = ?�^ XOR運算 char pat = pat1 ^ pat2; // pat = ?�~ NOT運算 char pat = ~pat1; // pat = ?

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練習：二補數

輸入一個8位元的整數(-128 ~ 127)，輸出對應與經過二補數運算後的16進制數值

何謂二補數?

Bit pattern 00000001

1補數 11111110

2補數 11111111

輸入輸出

1 0x01 0xff

127 0x7f 0x81

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關係運算子

回傳比較運算元之關係後的結果(0為假,1為真)，例如� int32_t num1 = 5, num2 = 2;

< 小於 uint8_t isT = (num1 < num2); // isT = ?�<= 小於等於 uint8_t isT = (num1 <= num2); // isT = ? �> 大於 uint8_t isT = (num1 > num2); // isT = ?�>= 大於等於 uint8_t isT = (num1 >= num2); // isT = ?�== 等於 uint8_t isT = (num1 == num2); // isT = ?�!= 不等於 uint8_t isT = (num1 != num2); // isT = ?

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邏輯運算子

回傳運算元(0為假,非0為真)經過邏輯運算後的結果(0為假,1為真)，例如� int num1=5, num2=0;

&& AND unsigned char isT = (num1 && num2); // isT = ?

|| OR unsigned char isT = (num1 || num2); // isT = ?

! NOT unsigned char isT = !num1; // isT = ?� unsigned char isT = !(num1 && num2); // isT = ?

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複雜的邏輯判斷

透過結合關係運算子與邏輯運算子就可以組合出複雜的邏輯判斷。例如，

"如果成績介於55~ 60分之間，則自動將成績改為60"

int score;
scanf("%d", &score);
if(score >= 55 && score < 60) {
score = 60;
}
printf("調分後的成績:%d\n", score);

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複雜的邏輯判斷(續)

透過結合關係運算子與邏輯運算子就可以組合出複雜的邏輯判斷。例如，

"如果(成績介於55~ 60分之間)或(成績介於50~ 54分之間且作業繳交數量超過10個)，則自動將成績改為60"

int score, assignment;
scanf("%d %d", &score, &assignment);
if(/*如何撰寫邏輯判斷?*/) {
score = 60;
}
printf("調分後的成績:%d\n", score);

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練習：計算1~N內能被2跟3整除，但不能被12整除的整數總和

撰寫一個程式，輸入一正整數 N ，找出 1 ～ N 的整數裡，可以被 2 與 3 整除，但不能被 12 整除的整數，並將這些數字做加總。

輸入輸出

20 24

80 294

60 150

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練習：找大小

輸入一個M或m的字元與兩個整數。如果輸出字元為M，輸出兩數的最大值，如果輸入字元為m，輸出兩數的最小值。

輸入輸出

M 10 5 10

M 5 10 10

m 10 5 5

m 5 10 5

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條件運算子

條件運算子的結構如下

(判斷條件) ? 條件成立的回傳值：條件不成立的回傳值

例如，

int num1 = 5, num2 = 0;�int max = num1 >= num2 ? num1 : num2; // max = ?

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練習：找大小

輸入一個M或m的字元與兩個整數。如果輸出字元為M，輸出兩數的最大值，如果輸入字元為m，輸出兩數的最小值。

限制：使用條件運算子

輸入輸出

M 10 5 10

M 5 10 10

m 10 5 5

m 5 10 5

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2-3

運算子的優先順序

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運算子的優先順序

當運算式中出現多個運算子時，

當運算子優先順序(precednece)不同時，依據優先順序決定順序。�例如，x & y == 0 與 (x & y) == 0 // x = 1, y = 2
當運算子優先次序相同時，則依據結合規則(associativity)決定順序。�例如，a = b = c // a = 5, b = 10, c = 15

"寫一個結果會取決於計算次序的程式是個不好的習慣"�- B. Kernighan and D. Ritchie

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2-4

常數

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定義常數

利用#define可定義常數，例如

constant.c

...
#define MAX 100;
#define MIN 0;
...
if(score > MAX || score < MIN) {
printf("NO. %d ~ %d\n", MIN, MAX);
} else {
printf("YES\n");
}
...

為何不直接寫?

差異在哪?

...
if(score > 100 || score < 0) {
printf("NO. %d ~ %d\n", 0, 100\n");
} else {
printf("YES\n");
}
...

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列舉(enumerate)

利用enum定義常數集合，例如

enum.c

...
enum boolean {False, True}; // False = 0, True = 1
enum day {MON=1, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN}; // TUE=2, WED=3, THU=4, FRI=5, SAT=6,SUN=7
enum day today = TUE;
enum boolean isSAT = False;
while(isSAT == False) {
printf("Weekday %d\n", today);
today++;
}
printf("Weeken %d\n" today);
...

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