3.1. 整型

Go语言的数值类型包括几种不同大小的整形数、浮点数和复数。每种数值类型都决定了对应的大小范围和是否支持正负符号。让我们先从整形数类型开始介绍。

Go语言同时提供了有符号和无符号类型的整数运算。这里有int8、int16、int32和int64四种截然不同大小的有符号整形数类型,分别对应8、16、32、64bit大小的有符号整形数,与此对应的是uint8、uint16、uint32和uint64四种无符号整形数类型。

这里还有两种一般对应特定CPU平台机器字大小的有符号和无符号整数int和uint;其中int是应用最广泛的数值类型。这两种类型都有同样的大小,32或64bit,但是我们不能对此做任何的假设;因为不同的编译器即使在相同的硬件平台上可能产生不同的大小。

Unicode字符rune类型是和int32等价的类型,通常用于表示一个Unicode码点。这两个名称可以互换使用。同样byte也是uint8类型的等价类型,byte类型一般用于强调数值是一个原始的数据而不是一个小的整数。

最后,还有一种无符号的整数类型uintptr,没有指定具体的bit大小但是足以容纳指针。uintptr类型只有在底层编程是才需要,特别是Go语言和C语言函数库或操作系统接口相交互的地方。我们将在第十三章的unsafe包相关部分看到类似的例子。

不管它们的具体大小,int、uint和uintptr是不同类型的兄弟类型。其中int和int32也是不同的类型,即使int的大小也是32bit,在需要将int当作int32类型的地方需要一个显式的类型转换操作,反之亦然。

其中有符号整数采用2的补码形式表示,也就是最高bit位用作表示符号位,一个n-bit的有符号数的值域是从$$-2^{n-1}$$到$$2^{n-1}-1$$。无符号整数的所有bit位都用于表示非负数,值域是0到$$2^n-1$$。例如,int8类型整数的值域是从-128到127,而uint8类型整数的值域是从0到255。

下面是Go语言中关于算术运算、逻辑运算和比较运算的二元运算符,它们按照先级递减的顺序的排列:

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

二元运算符有五种优先级。在同一个优先级,使用左优先结合规则,但是使用括号可以明确优先顺序,使用括号也可以用于提升优先级,例如mask & (1 << 28)

对于上表中前两行的运算符,例如+运算符还有一个与赋值相结合的对应运算符+=,可以用于简化赋值语句。

算术运算符+、-、*/可以适用与于整数、浮点数和复数,但是取模运算符%仅用于整数间的运算。对于不同编程语言,%取模运算的行为可能并不相同。在Go语言中,%取模运算符的符号和被取模数的符号总是一致的,因此-5%3-5%-3结果都是-2。除法运算符/的行为则依赖于操作数是否为全为整数,比如5.0/4.0的结果是1.25,但是5/4的结果是1,因为整数除法会向着0方向截断余数。

如果一个算术运算的结果,不管是有符号或者是无符号的,如果需要更多的bit位才能正确表示的话,就说明计算结果是溢出了。超出的高位的bit位部分将被丢弃。如果原始的数值是有符号类型,而且最左边的bit为是1的话,那么最终结果可能是负的,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"

两个相同的整数类型可以使用下面的二元比较运算符进行比较;比较表达式的结果是布尔类型。

==    equal to
!=    not equal to
<     less than
<=    less than or equal to
>     greater than
>=    greater than or equal to

事实上,布尔型、数字类型和字符串等基本类型都是可比较的,也就是说两个相同类型的值可以用==和!=进行比较。此外,整数、浮点数和字符串可以根据比较结果排序。许多其它类型的值可能是不可比较的,因此也就可能是不可排序的。对于我们遇到的每种类型,我们需要保证规则的一致性。

这里是一元的加法和减法运算符:

+      一元加法 (无效果)
-      负数

对于整数,+x是0+x的简写,-x则是0-x的简写;对于浮点数和复数,+x就是x,-x则是x 的负数。

Go语言还提供了以下的bit位操作运算符,前面4个操作运算符并不区分是有符号还是无符号数:

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

位操作运算符^作为二元运算符时是按位异或(XOR),当用作一元运算符时表示按位取反;也就是说,它返回一个每个bit位都取反的数。位操作运算符&^用于按位置零(AND NOT):表达式z = x &^ y结果z的bit位为0,如果对应y中bit位为1的话,否则对应的bit位等于x相应的bit位的值。

下面的代码演示了如何使用位操作解释uint8类型值的8个独立的bit位。它使用了Printf函数的%b参数打印二进制格式的数字;其中%08b中08表示打印至少8个字符宽度,不足的前缀部分用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节给出了一个可以远大于一个字节的整数集的实现。)

x<<nx>>n移位运算中,决定了移位操作bit数部分必须是无符号数;被操作的x数可以是有符号或无符号数。算术上,一个x<<n左移运算等价于乘以$$2^n$$,一个x>>n右移运算等价于除以$$2^n$$。

左移运算用零填充右边空缺的bit位,无符号数的右移运算也是用0填充左边空缺的bit位,但是有符号数的右移运算会用符号位的值填充左边空缺的bit位。因为这个原因,最好用无符号运算,这样你可以将整数完全当作一个bit位模式处理。

尽管Go语言提供了无符号数和运算,即使数值本身不可能出现负数我们还是倾向于使用有符号的int类型,就像数组的长度那样,虽然使用uint无符号类型似乎是一个更合理的选择。事实上,内置的len函数返回一个有符号的int,我们可以像下面例子那样处理逆序循环。

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

另一个选择对于上面的例子来说将是灾难性的。如果len函数返回一个无符号数,那么i也将是无符号的uint类型,然后条件i >= 0则永远为真。在三次迭代之后,也就是i == 0时,i--语句将不会产生-1,而是变成一个uint类型的最大值(可能是$$2^64-1$$),然后medals[i]表达式将发生运行时panic异常(§5.9),也就是试图访问一个slice范围以外的元素。

出于这个原因,无符号数往往只有在位运算或其它特殊的运算场景才会使用,就像bit集合、分析二进制文件格式或者是哈希和加密操作等。它们通常并不用于仅仅是表达非负数量的场合。

一般来说,需要一个显式的转换将一个值从一种类型转化位另一种类型,并且算术和逻辑运算的二元操作中必须是相同的类型。虽然这偶尔会导致需要很长的表达式,但是它消除了所有和类型相关的问题,而且也使得程序容易理解。

在很多场景,会遇到类似下面的代码通用的错误:

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

当尝试编译这三个语句时,将产生一个错误信息:

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

这种类型不匹配的问题可以有几种不同的方法修复,最常见方法是将它们都显式转型为一个常见类型:

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

如2.5节所述,对于每种类型T,如果转换允许的话,类型转换操作T(x)将x转换为T类型。许多整形数之间的相互转换并不会改变数值;它们只是告诉编译器如何解释这个值。但是对于将一个大尺寸的整数类型转为一个小尺寸的整数类型,或者是将一个浮点数转为整数,可能会改变数值或丢失精度:

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

浮点数到整数的转换将丢失任何小数部分,然后向数轴零方向截断。你应该避免对可能会超出目标类型表示范围的数值类型转换,因为截断的行为可能依赖于具体的实现:

f := 1e100  // a float64
i := int(f) // 结果依赖于具体实现

任何大小的整数字面值都可以用以0开始的八进制格式书写,例如0666;或用以0x或0X开头的十六进制格式书写,例如0xdeadbeef。十六进制数字可以用大写或小写字母。如今八进制数据通常用于POSIX操作系统上的文件访问权限标志,十六进制数字则更强调数字值的bit位模式。

当使用fmt包打印一个数值时,我们可以用%d、%o或%x参数控制输出的进制格式,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

请注意fmt的两个使用技巧。通常Printf格式化字符串包含多个%参数时将会包含对应相同数量的额外操作数,但是%之后的[1]副词告诉Printf函数再次使用第一个操作数。第二,%后的#副词告诉Printf在用%o、%x或%X输出时生成0、0x或0X前缀。

字符面值通过一对单引号直接包含对应字符。最简单的例子是ASCII中类似'a'写法的字符面值,但是我们也可以通过转义的数值来表示任意的Unicode码点对应的字符,马上将会看到这样的例子。

字符使用%c参数打印,或者是用%q参数打印带单引号的字符:

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