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C++学习之路：深入理解变量

news 来源：原创 2025/7/6 12:10:06

编程的本质

编程的本质是什么？虽然程序里能实现很多复杂的逻辑，但是从底层的硬件上来看，编程的本质就是数据的搬移。比如说实现一个加法运算：c = a + b，从逻辑的角度来看进行了一次加法运算，但是从硬件角度来看这个加法指令可以被简单描述为：算术逻辑单元（ALU）把a，b的值搬运到加法器的输入寄存器中，经过几个时钟周期后再把输出寄存器的值取出来放到c里面这就是加法指令的实质：只要把数据搬移到加法器输入寄存器上，具体加法怎么实现我们完全不用关心，处理完后再从结果寄存器中取出来就行了。
从这个角度来看计算过程中的这个数据（C++编程中的变量值）是核心中的核心，这章主要从比较底层的角度来谈一下对于C++中变量的一个认识。

变量的本质

变量的本质是什么？变量的本质是一个存储数据的容器，这句话揭示了变量与数据的关系，即变量是容器，数据是容器的内容，就像箱子和箱子里的货，软件编程就是把装着箱子的货物运输出去到不同的地方进行处理，完成后再取回来存储到某个地方的过程，具体怎么运算是硬件的事情。

内存模型、变量名与值以及地址的关系

变量在硬件层面对应的就是内存单元，每个一个内存单元都有两个要素：内存地址，内存存储的数据，地址和数据是单向的对应关系，由地址可以找到数据，但是知道数据却不一定能够知道对应的地址是什么，下图是内存模型示意图：
在这里插入图片描述
最早的时候，比如在写机器码以及后来汇编语言的时代，变量的使用确实如上图这样朴素，就是通过地址来查找对应的数据，然后再对其进行编程。但这种方式是不符合人类习惯的。就好比大家称呼一个人都是使用名字而不是念身份证号。后来出现的高级语言例如C/C++，引入了变量名作为内存单元的代称或者说标识符，直接就解决了这个问题。但这也带来了一些问题，例如变量名，地址，数据（变量值）之间纠缠不清的关系，这也导致了大家在使用指针时带来的巨大的理解上的困难。
在这里插入图片描述
变量名、值，以及地址它们之间的关系就像上图这样，变量名是地址的代称，因此给变量名赋值相当于给地址下的内存单元赋值。注意：C++中的地址是指首地址，一个变量可能占用多个字节
从本质上来说改变一个变量的值还是和机器码编程一样：改变对应地址下的内存数据。这就不难理解函数传参时值传递无法改变传进去的变量本身，但是通过地址传递时可以改变变量本身了，因为从变量名到地址到变量值是一个单向的过程，你可以通过取址&符号获得变量名对应的地址，再通过取值符号*获得对应地址下的变量值；但是无法通过变量值获得地址，进而也无法修改变量，并且也无法通过地址得知变量名（变量名只存在于编程中，实际上没有任何内存单元存储它）。

数据类型

数据是内存单元中存放的内容，为什么要有数据类型这种说法呢？从物理上来说，一个内存单元里面只能存储一个字节Byte（即8-bit）大小的数据。顺便提一下，虽然内存单元通常为 1 字节，但处理器可以一次访问多个字节，具体取决于数据总线的宽度和指令集的支持：

‌ 8 位处理器‌：一次访问 1 字节。
‌ 16 位处理器‌：一次访问 2 字节。
‌ 32 位处理器‌：一次访问 4 字节。
‌ 64 位处理器‌：一次访问 8 字节。

现实中我们需要处理各种不同类型的数据，比如整数，字符，小数等，它们占用内存的大小，具体的表达规则都各不相同。在机器码时代，我们需要手工去定义管理各种不同的数据，即使到了汇编语言时代，出现了字节的概念，定义一个变量仍需要手动指定占用的字节大小，程序员需要手动处理数据的存储、转换和解释。到了C/C++中，数据类型的概念逐渐明显：数据类型的意义‌在于为程序中的数据定义明确的‌存储方式‌、‌取值范围‌和‌操作规则‌，从而确保程序的正确性、可读性和效率。通过变量声明的方法可以实现变量内存的自动化管理。

C++数据类型

C++的数据类型有布尔、字符、整型、浮点、双精度浮点、数组、指针、结构体、类、枚举、联合体、引用、数据结构，另外还有基于这些类型的修饰符，例如unsigned、long、short等。具体的类型介绍可以去网上找这是一个造轮子的事情就不过多叙述。另外几个重要的数据类型我也会单独出章节来总结，这里挑几个需要注意的来讲。

布尔类型
bool类型就是true\false，现在C++中已经可以用true\false作为保留字直接定义真假了，等价于0\1。为什么单独提这个出来呢？因为bool类型应该算是最小的一种数据类型了，理论上只需要占用一个bit的内存空间就可以存储。但是，在实际编程中，布尔类型通常不会仅占用 1 位，而是占用 ‌1 字节（8 位）‌ 或更多。原因如下：
- 内存对齐‌：现代计算机以字节为单位访问内存，单独存储 1 位会导致内存对齐问题，降低性能。
- 硬件支持‌：大多数 CPU 指令集以字节为单位操作数据，单独操作 1 位效率较低。
浮点类型
浮点类型可太妙了，用起来时不需要关系浮点实现的原理，当实数计算就行了，但是要探究其存储计算的原理时就犯难了。小数转二进制好理解，但如果转成二进制的话小数点的位置是不定的该怎么办？例如10.1和1.01，在内存结构中是不存在小数点这个部件的。
这里的方法就是提取指数，将二进制小数表示为符号位x1.尾码 x 指数n的形式。为什么那么肯定是1.尾码 x 指数n的形式呢？因为前面的0都省略了，开头肯定是1。（ex: 0.00012 = 1.2 x 10^-4）
符号位sign表示正负，exponent指数位表示指数大小，fraction存储尾码但精度浮点内存结构如下图所示：

其中sign的0表示负数1表示正数，指数指为移码即指数值＋偏移量（指数值+127），尾数位存储小数点后的二进制码。
float类型占用4个字节：

数据类型别名

typedef
具体用法为：typedef 数据类型别名;
例如 typedef float My_float; 以及最常用的 typedef struct 结构体名别名;这样定义以后再声明结构体xxx的时候就可以直接用别名来声明结构体实例了。
#define
#define 叫宏定义属于预编程指令的一种。用法为#define 别名数据类型 或者更常用的在头文件开头定义#define XXX_H_或者定义常量#define 常量名常量值
using
using 别名 = 数据类型;

数据类型转换

隐式转换
隐式转换一般用在关联比较大的数据类型之间，例如整形和浮点，整形和double等，编译器会自动转换。
这里需要考虑一下计算时的转换：int + float/double，int会被转为float或者double；如果是字符char计算，则会被转为数字类型。
C风格的转换
C风格的转换语法为(type)value，例如float a = (float)b这种转换是不进行安全检查的，因此容易转换出错。
显式转换

static_cast方法
用于非多态类型的安全转换，如基本数据类型之间的转换，或者向上转型（从派生类指针转换为基类指针）不能转换不同类型的指针。语法为static_cast<O_type>（value）,例如int a = static_cast<int>（b）
dynamic_cast方法
用于将基类指针转为派生类指针。要满足这几个条件：
- 必须有继承关系的类之间才能转换
- 基类中必须要有虚函数
  语法为：Derived* D_ptr = dynamic_cast<Derived*>（B_ptr）
const_cast方法
用于移除或添加const或volatile属性，只对常量指针以及常量引用有效。

#include<iostream>
#include <cstring>
using namespace std;int main(){
const int *a;
int* b = const_cast<int*>(a) ;
*b = 10;
cout << *a <<endl; //输出*a = 10，说明常量指针得以转换为指针
return 0;
}

reinterpret_cast
用于不同类型指针之间的转换，以及将指针转换为整数<long>

#include<iostream>
#include <cstring>
using namespace std;int main(){
char* a = new char;
int* b = new int;b = static_cast<int*>(a); //报错，error: invalid 'static_cast' from type 'char*' to type 'int*'b = reinterpret_cast<int*>(a); //成功执行
return 0;
}

变量作用域

一般来说，变量只会被定义在三个地方：

在一个函数内或者代码块内部定义（if/for等）的变量称为局部变量。
在所有函数外部定义的变量，称为全局变量。

补充一个知识点，形参与实参：
3. 在C++中，‌形参（形式参数）‌是函数定义中声明的变量，用于接收调用函数时传递的实参值。
例如，void func(int a,int b)这里的a与b就叫形式参数，是数据传递的媒介。
4. 实参（Argument）‌ 是函数或方法‌调用时‌实际传递给函数的具体值、变量或表达式。
例如，func(a,b)形参是传入函数的具体值，可以是常量，变量以及表达式。

总结来说，‌实参‌是调用函数时传递的具体数据，‌形参‌是函数定义时声明的占位符。

作用域是程序的一个区域，可以分为以下几种：

局部作用域
在函数内部声明的变量（即局部变量）只能在声明的函数与代码块内部访问，并且随着函数或者代码块的执行完成后销毁。
全局作用域
即在全局变量具有的作用域，可以被程序中的任何函数访问。全局变量在程序开始时被创建，在程序结束时被销毁。
类作用域
在类内部声明的变量，可以被类内所有成员函数访问。类作用域的生命周期与类的生命周期相同。

总结

关于变量的知识就介绍到这里了，重点是变量模型的概念要在脑海中建立起来，明白地址对于变量的重要性，这对之后学习指针的使用至关重要。其余的关于类型转换和作用域等的知识介绍只涉及了最常用的部分，要想深入了解可以单独去查询相关的博客。

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