Go语言核心技术(卷一)之2.1－整数

Posted 2020-06-23 Sunface撩技术

第二章 序

在计算机底层，一切都是比特位。然而计算机一般都操作固定大小的数，称之为字(word)。字会被解释为整数、浮点数、比特位数组、内存地址等，这些字又可以进一步聚合成数据包(packet)、像素点、作品集、是个或者其它任何对象。Go语言提供了多样化的数据组织方式，这些数据类型能提供硬件层面的兼容性，也能让程序员方便的组合成更复杂的数据类型。

Go语言的数据类型分为四大类：基本类型，复合类型，引用类型及接口类型。本章将介绍基本类型：数字，字符串，布尔值。

    一、整数

Go语言的数值数据类型包括以下几种：整数，浮点数，复数，每一种都包含了大小(size)不同的数值类型，例如int8,int16,int32,int64,int。每一种数值类型都会决定值的大小和符号(正负)，我们首先从整数类型开始。

Go提供了有符号和无符号整数运算。有符号整数类型分为8bit,16bit,32bit,64bit四种：int8,int16,int32,int64，还有对应的无符号整数：uint8,uint16,uint32,uint64。 还有两种整数类型，它们的大小是取决于机器平台的CPU字长的：int和uint，其中int是使用最广的类型。两种类型在不同平台上可能有不同的大小，32或64bit,但是我们在使用过程中不能有任何的假设，因为即使是在同一个平台，不同的编译器也可能采用不同的字长，因此如果确实需要64位长度，那就使用int64，如果32位长度足够，就使用int，因为int是性能最高的整数类型。

Unicode的字符都是rune类型的，rune是int32的同义词，事实上rune的底层类型就是int32，每个rune代表一个Unicode码点，这两个类型是可以互换使用的。同样的，byte也是uint8的同义词，byte用来强调数值是字符流的一个点而不是一个小整数。

最后，还有一种无符号整数类型uintptr,它的长度等同于机器的字长，是不固定的，但是足够容纳一个指针值。uintptr只在底层编程时才需要，例如，需要指针计算，需要和C语言交互等等。

总之,这些类型都是完全不同的类型，例如int和int32,虽然int在某个平台上也可能是32bits，但是把int值当作int32使用时，必须要显式的类型转换，反之亦然。

有符号整数采用2的补码形式表示，最高bit位表示符号位。一个n-bit的有符号数，它的值的范围是??

$2^{n1}$-1。无符号数使用所有的bit位来表示非负值，因此值的范围是0到$2^{n1}$。例如int8的范围是-128到127，uint8是0到255。

下面列举了Go的算数运算、逻辑运算、比较运算中的二元操作符，按照优先级递减顺序排列：$2^{n1}$

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

二元操作符有五层优先级，在同一个层级使用左优先的计算原则，因此可能需要括号来提升可读性和保证正确的计算顺序 ：mask & (1 << 28) 。

前两行的每个操作符都有对应的简略的赋值语句，例如 + 对应的赋值语句 +=， ^对应的赋值语句 ^=。

其中，整数运算符+,-,*,/还可以用在浮点数、复数类型上，但是求余运算符只能用在整数上。对于不同的语言来说,%可能有不同的行为，在Go中，余数的符号和被除数的符号是相同的。所以 -5%3和-5%-3的结果都是-2。 /(除法)的行为依赖于操作数的类型，如果两个操作数都是整数，那么结果也是整数: 5 / 4 的结果是1；如果至少有一个操作数是浮点数，那么结果就是浮点数, 5.0 / 4.0 的结果是1.25。

$2^{n\mathrm{1水豆}\mathrm{<br>}}$

如果算数运算的结果，无论是有符号还是无符号，如果需要更多的bit才能正确表示，那么我们就说计算溢出了，这时，超过高位的bit位将被丢弃。如果原始数值是有符号的且最左边的bit是1，那么最终结果可能是负的，例如下面的int8示例：

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"

两个同样类型整数可以通过比较运算符进行比较，比较表达式的类型是一个布尔值：

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

事实上，所有的基本类型：布尔，数值，字符串都是可以比较的，这些类型至少支持== 和 != 运算符。其中，整数、浮点数、字符串可以用所有的比较运算符。有很多类型是不可以比较的，因此是不可以排序的。当后续章节遇到这些类型时，我们会详细讲解这些规则。

下面这些也是一元运算符：

+	正号
-	负号

对于整数，+x 是 0 + x表达式的缩写，-x是0 - x表达式的缩写；对于浮点数和复数，+x就是x, -x就是x的负数。

Go也提供了下面这些bit位操作符，其中前4个不区分操作数的符号：

&      位运算 AND
|      位运算 OR
^      位运算 XOR
&^     位清空 (AND NOT)
<<     左移
>>     右移

位操作符^作为二元运算符时是按位异或(XOR)，但是作为一元操作符时是按位取反或补位：返回一个每个位都取反的数，10100111 -> 01011000。$^操作符是位清空(AND NOT)：在表达式z = x &^ y 中，如果y的某个位是1，那么z的对应位就是0，z剩余的位对应于x的相应位。

下面的代码利用按位操作把uint8的值作为8个独立的位来使用。这里使用了Printf的 %b参数打印了一个数字的位表示；08修饰%b，可以让结果准确的显示为8bit,不足位补0：

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

fmt.Printf("%08b\n", x)    // "00100010"
fmt.Printf("%08b\n", y)    // "00000110"

fmt.Printf("%08b\n", x&y)  // "00000010"
fmt.Printf("%08b\n", x|y)  // "00100110"
fmt.Printf("%08b\n", x^y)  // "00100100"
fmt.Printf("%08b\n", x&^y) // "00100000"

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

fmt.Printf("%08b\n", x<<1) // "01000100"
fmt.Printf("%08b\n", x>>1) // "00010001"

（章节5.5会给出一个远大于byte整数集的实现)

在移位操作x<<n和x>>n中，操作数n决定了移位的bit个数，n必须是无符号的。x操作数可以是无符号或有符号的。从算数上来说，x<<n等价于x * 2ⁿ ，x>>n等价于x / 2ⁿ 。

左移操作会在右边新增的空缺bit位填充0；无符号数右移是在左边新增的空缺bit位填充0，但是有符号数的右移会在左边新增的空缺bit位填充它的符号位。因此当你要将一个整数按位模式操作时，最好使用无符号运算，例如给待运算的数指定类型uint8。

虽然Go提供无符号数和运算，但是我们更倾向于使用int类型，即使在需要非负数的场景，例如数组的长度，虽然这里看上去使用uint更合适。事实上len函数返回的就是有符号的int类型：

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

这里如果len返回的是uint类型，那将是致命的，因为i将是一个uint类型，i >= 0 将永远为真。i永远不会变为-1,当i == 0是，i--语句会将i变成uint的MAX值，这个时候程序就出现致命的问题了:medals[i]会去访问slice边界外的元素。

因此，无符号数一般只在按位操作或者特定的运算场景时使用，例如：实现bit集合，解析二进制文件，哈希算法或者其它加密算法中。我们不能仅仅因为需要非负数，就去使用无符号数。

一般来说把一个值转换成另外一个类型需要显示类型转换，且二元操作符需要两个操作数的类型都相同，因此有时候会导致较长的表达式，但是这也是值得的，这样就可以消除类型带来的问题，提供更好的可读性。

下面这个例子在很多场景都会出现：

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

编译时会报错：

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

有几种办法可以解决这个问题，其中一个是把所有类型统一成int：

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

许多整形之间的转换都不会改变具体的值，它们只是告诉编译器该怎么解释这个值。但是从范围大的值转换为范围小的值，例如从整数转为浮点数(反之亦然)，可能会改变值的大小或者丢失精度：

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

浮点数转为整数会丢弃掉小数部分，你应该避免这种操作数范围不一致的转换：

f := 1e100  // a float64
i := int(f) // result is implementation-dependent

整型可以表示为普通的十进制数，也可以在头部加一个0表示为8进制：0666，加一个0x或0X表示为16进制：0xdeadbeef。16进制的数字可以用大小写字母。在当前社会，8进制貌似只有一个用途了：POSIX系统下的文件权限控制，但是16进制的使用是非常广泛的，因为16进制强调的是一个数值的位模式。

当使用fmt包打印数值时，我们可以通过%d,%o,%x参数来控制进制的基数或格式：

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

注意这里有两个fmt的技巧。首先，一般来说，打印参数%x 的数目和要打印的操作数的数目是相同的，但是这里使用了%[1]告诉Printf重复使用第一个打印的操作数。其次%o,%x,%X和#结合，告诉Printf打印的时间分别添加0，0x,0X。

#的用途是非常广的，可以打印数据的详细格式，例如打印struct的时候使用%#v，建议读者亲自尝试！

Rune的表现形式是字符两边加上单引号，最简单的例子就是ASCII字符 ‘a‘。我们既可以直接写Unicode码点，也可以通过数值逃逸的方式。

fmt使用%c或者%q(加上引号)来打印runes：

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

$2^{n\mathrm{<br>}}$