16 C 语言布尔类型与 sizeof 运算符详解：布尔类型的三种声明方式、执行时间、赋值规则

1 布尔类型

1.1 布尔类型概述

        布尔类型用于表示逻辑上的真（true）和假（false）两种状态，是编程中条件判断和逻辑运算的基础。在 C 语言中，布尔值的表示方式随着标准的发展而不断完善。

1.2 布尔类型的三种声明方式

宏定义方式（C89 及以前版本）

  • 在 C89 及以前的 C 语言标准中，没有原生的布尔类型。
  • 开发者通常使用宏定义来模拟布尔类型，将 TRUE 和 FALSE 分别定义为 1 和 0。
  • 这种方式不够直观，但能在一定程度上满足布尔逻辑的需求。
#include <stdio.h>// 宏定义布尔类型
#define BOOL int
#define TRUE 1
#define FALSE 0int main()
{BOOL isPass = FALSE; // 初始化为假BOOL isOk = TRUE;    // 初始化为真printf("isPass=%d, isOk=%d\n", isPass, isOk); // 输出: isPass=0, isOk=1if (isPass){printf("不会执行\n"); // 条件不满足，不会执行}if (isOk){printf("会执行\n"); // 条件满足，会执行}return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

_Bool 类型（C99 标准引入）

  • C99 标准引入了原生的布尔类型 _Bool。
  • _Bool 类型只能存储 0 或 1，任何非 0 值赋给 _Bool 变量都会被隐式转换为 1（真）。
  • 这种方式比宏定义更规范，但代码可读性稍差，因为通常需要输出为整数形式。
#include <stdio.h>int main()
{_Bool isPass = 0;   // 初始化为假// _Bool isOk = 1;  // 初始化为真_Bool isOk = -4;    // 非 0 值被转换为 1（真）printf("isPass=%d, isOk=%d\n", isPass, isOk); // 输出: isPass=0, isOk=1if (isPass){printf("不会执行\n"); // 条件不满足，不会执行}if (isOk){printf("会执行\n"); // 条件满足，会执行}return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

bool 类型（通过 stdbool.h 头文件）

  • C99 标准还提供了 <stdbool.h> 头文件，其中定义了 bool 类型作为 _Bool 的别名。
  • 同时定义了 true 和 false 宏，分别表示 1 和 0，使得代码更加直观易读。
  • 这是现代 C 编程中推荐使用的布尔类型表示方式。
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h> // 包含布尔类型定义int main()
{bool isPass = false; // 初始化为假bool isOk = true;    // 初始化为真printf("isPass=%d, isOk=%d\n", isPass, isOk); // 输出: isPass=0, isOk=1if (isPass){printf("不会执行\n"); // 条件不满足，不会执行}if (isOk){printf("会执行\n"); // 条件满足，会执行}return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

        我们可以通过 VS Code 查看 <stdbool.h> 的源代码。将鼠标放在 stdbool.h 或 true 或 false 上，按住 Ctrl 键并点击鼠标左键即可查看其实现。<stdbool.h> 的源代码片段通常如下：

        这进一步验证了 bool 是 _Bool 的别名，true 和 false 分别对应 1 和 0。 

1.3 三种声明方式的执行时间

宏定义方式

  • 执行时间：
    • 宏定义是在预处理阶段执行的。预处理器会在编译之前处理所有的宏定义、文件包含等指令。
    • 在预处理阶段，所有的宏定义会被替换为对应的文本。例如，BOOL 会被替换为 int，TRUE 会被替换为 1，FALSE 会被替换为 0。
  • 特点：
    • 宏定义不会引入新的类型，只是简单的文本替换。
    • 由于是在预处理阶段完成，因此在编译阶段，编译器看到的已经是替换后的代码。

_Bool 类型

  • 执行时间：
    • _Bool 类型的处理是在编译阶段完成的。
    • 编译器会识别 _Bool 类型，并在生成目标代码时进行相应的处理。
  • 特点：
    • _Bool 是 C 语言原生的布尔类型，提供了更好的类型安全性。
    • 编译器会在编译阶段对 _Bool 类型的变量进行优化，确保其只存储 0 或 1。

bool 类型

  • 执行时间：
    • bool 类型的处理也是在编译阶段完成的。
    • 当包含 <stdbool.h> 头文件时，预处理器会将 bool 替换为 _Bool，true 替换为 1，false 替换为 0。
    • 编译器在编译阶段会识别 _Bool 类型，并进行相应的处理。
  • 特点：
    • bool 是 _Bool 的别名，提供了更直观和可读的布尔类型定义。
    • 使用 <stdbool.h> 是现代 C 编程中推荐的方式，因为它提高了代码的可读性和一致性。

执行时间总结

方式处理阶段特点
宏定义预处理阶段简单文本替换，无类型检查，灵活性高但安全性低
_Bool 类型编译阶段原生布尔类型，类型安全，编译器优化
bool 类型编译阶段_Bool 的别名，通过 <stdbool.h> 提供，直观可读，推荐使用

1.4 布尔类型的赋值规则

接受任何整数值

  • 布尔变量可以接受任何整数值（如 char、short、int、long 等类型）或任何可隐式转换为整数的表达式（如算术运算、位运算、比较运算等）。
  • 赋值时，编译器会自动将值转换为 0（false）或 1（true），无需手动处理。

非零值视为 true（存储为 1）

  • 任何非零值（包括正整数、负整数、大整数、甚至超出 bool 存储范围的值）都会被视为 true，并存储为 1。
  • bool 的存储大小是固定的（通常为 1 字节，即 _Bool 类型），但赋值时不会因值过大而报错或截断。
  • 编译器会自动转换：
    • 无论赋值 1、42 还是 1000000，最终存储的值只能是 0 或 1。
    • 这是因为 bool 类型的本质是逻辑值，而非数值，编译器会隐式地将任何非零值转换为 1。
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>int main()
{bool b1 = 42;      // 42 → true（存储为 1）bool b2 = -1;      // -1 → true（存储为 1）bool b3 = 1000000; // 1,000,000 → true（存储为 1）printf("b1=%d (实际存储值: %d)\n", b1, b1); // 输出: b1=1 (实际存储值: 1)printf("b2=%d (实际存储值: %d)\n", b2, b2); // 输出: b2=1 (实际存储值: 1)printf("b3=%d (实际存储值: %d)\n", b3, b3); // 输出: b3=1 (实际存储值: 1)return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

零值视为 false（存储为 0）

  • 只有 0 或显式的 false 会被视为 false，并存储为 0。
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>int main()
{bool b4 = 0;     // 0 → false（存储为 0）bool b5 = false; // false → false（存储为 0）printf("b4 = %d\n", b4); // 0printf("b5 = %d\n", b5); // 0return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

规则总结

规则示例存储值说明
非零值 → true（1）bool b = 42;1任何非零值（包括负数、大数）
零值 → false（0）bool b = 0;0仅 0 或 false
隐式转换bool b = -1;1编译器自动处理非零值
  • bool 类型仅存储 0 或 1，赋值时会自动转换，无需担心数值大小。
  • 这一规则确保了布尔逻辑的简洁性和一致性。

2 sizeof 运算符

        sizeof 是 C 语言中的一个重要运算符，用于获取数据类型、变量、字面量或表达式的存储大小（以字节为单位）。

        它返回一个 size_t 类型的无符号整数值，通常使用 %zu 格式占位符进行输出。size_t 的具体类型（如 unsigned int 或 unsigned long）由系统和编译器决定。

2.1 sizeof 运算符的基本用法

        sizeof 运算符的主要功能是计算内存占用大小，适用于以下场景：

  1. 基本数据类型：如 bool、char、short、int、long、long long、float、double、long double 等。
  2. 变量：直接作用于变量名。
  3. 字面量：直接作用于常量值。
  4. 表达式：计算表达式的存储大小。

语法形式：

  • 对于基本数据类型或表达式：sizeof 后面必须使用括号包裹，例如 sizeof(int)、sizeof(1 + 1)。
  • 对于变量或字面量：sizeof 后面的括号是可选的，例如 sizeof a 或 sizeof(a)。

2.2 sizeof 的使用场景

计算基本数据类型的大小

        基本数据类型的大小可能因编译器和平台而异。以下是常见数据类型的典型大小：

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h> // 包含 bool 类型int main()
{// 使用转义字符 \t 格式化输出printf("数据类型\t大小（字节）\n");printf("--------\t-----------\n");// 对于基本数据类型：sizeof 必须使用括号包裹printf("bool \t\t %zu \n", sizeof(bool));              // 通常为 1 字节printf("char \t\t %zu \n", sizeof(char));              // 通常为 1 字节printf("short \t\t %zu \n", sizeof(short));            // 通常为 2 字节printf("int \t\t %zu \n", sizeof(int));                // 通常为 4 字节printf("long \t\t %zu \n", sizeof(long));              // 通常为 4 或 8 字节printf("long long \t %zu \n", sizeof(long long));      // 通常为 8 字节printf("float \t\t %zu \n", sizeof(float));            // 通常为 4 字节printf("double \t\t %zu \n", sizeof(double));          // 通常为 8 字节printf("long double：\t %zu \n", sizeof(long double)); // 通常为 16 字节return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

计算字面量的大小

        字面量的大小取决于其类型，sizeof 后面的括号是可选的：

  • 字符字面量（如 'a'）：通常被提升为 int 类型，因此 sizeof('a') 返回 4（字节）。
  • 整数和浮点数字面量：大小由其类型决定。例如：
    • 431 是 int 类型，sizeof(431) 返回 4。
    • 4.31 是 double 类型，sizeof 4.31 返回 8。
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>int main()
{// 字符类型字面量：在 C 中字符常量如 'a' 实际上是 int 类型（通常为 4 字节）printf("字符类型字面量('a')：%zu\n", sizeof('a'));     // 输出通常为 4（bool 提升为 int）printf("布尔类型字面量(true)：%zu\n", sizeof(true));   // 输出通常为 4（bool 提升为 int）printf("布尔类型字面量(false)：%zu\n", sizeof(false)); // 输出通常为 4（bool 提升为 int）// 整型字面量：默认是 int 类型printf("整型字面量(431)：%zu\n", sizeof(431)); // 输出通常为 4（int）// 长整型后缀 L：long int（具体大小依赖平台）printf("长整型字面量(431L)：%zu\n", sizeof(431L)); // 具体大小依赖平台// 长长整型后缀 LL：long long int（通常为 8 字节）printf("长长整型字面量(431LL)：%zu\n", sizeof(431LL)); // 输出通常为 8（long long）// 单精度浮点数字面量：使用 f 后缀表示 float（通常为 4 字节）printf("单精度浮点型字面量(4.31f)：%zu\n", sizeof(4.31f)); // 输出通常为 4（float）// 双精度浮点数字面量：默认是 double 类型（通常为 8 字节）printf("双精度浮点型字面量(4.31)：%zu\n", sizeof(4.31)); // 输出通常为 8（double）// 长双精度浮点数字面量：使用 L 后缀表示 long double（通常为 16 字节）printf("长双精度浮点型字面量(4.31L)：%zu\n", sizeof(4.31L)); // 输出通常 16// 对于字面量：sizeof 后面的括号是可选的printf("对于字面量：sizeof 后面的括号是可选的：%zu\n", sizeof true);  // 输出通常为 4（bool 提升为 int）printf("对于字面量：sizeof 后面的括号是可选的：%zu\n", sizeof 431);   // 输出通常为 4（int）printf("对于字面量：sizeof 后面的括号是可选的：%zu\n", sizeof 431L);  // 具体大小依赖平台printf("对于字面量：sizeof 后面的括号是可选的：%zu\n", sizeof 431LL); // 输出通常为 8（long long）printf("对于字面量：sizeof 后面的括号是可选的：%zu\n", sizeof 4.31f); // 输出通常为 4（float）printf("对于字面量：sizeof 后面的括号是可选的：%zu\n", sizeof 4.31);  // 输出通常为 8（double）printf("对于字面量：sizeof 后面的括号是可选的：%zu\n", sizeof 4.31L); // 输出通常为 16（long double）return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

计算变量的大小

        变量的大小与其类型一致，sizeof 后面的括号是可选的：

#include <stdio.h>int main()
{char a = 'A';             // char 类型变量short b = 66;             // short 类型变量int c = 66;               // int 类型变量long d = 8888888L;        // long 类型变量long long e = 99999999LL; // long long 类型变量float f = 5.6f;           // float 类型变量double g = 10.8;          // double 类型变量long double h = 12.34L;   // long double 类型变量printf("a: %zu \n", sizeof(a)); // 输出为 1（char 类型）printf("b: %zu \n", sizeof(b)); // 输出为 2（short 类型）printf("c: %zu \n", sizeof(c)); // 输出为 4（int 类型）printf("d: %zu \n", sizeof(d)); // 具体大小依赖平台// 对于变量：sizeof 后面的括号是可选的printf("e: %zu \n", sizeof e); // 输出为 8（long long 类型）printf("f: %zu \n", sizeof f); // 输出为 4（float 类型）printf("g: %zu \n", sizeof g); // 输出为 8（double 类型）printf("h: %zu \n", sizeof h); // 输出为 16（long double 类型）return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

计算表达式的大小

        sizeof 也可以用于计算表达式的存储大小：

#include <stdio.h>int main()
{int d1 = 10;double d2 = 20.0;// printf("表达式（d1 + d2）：%zu \n", sizeof d1 + d2);  // 不加括号这里输出会出问题，printf("表达式（d1 + d2）的存储大小：%zu \n", sizeof(d1 + d2)); // 加上括号当成一个整体// int 类型和 double 类型相加，结果是 double 类型，所以 sizeof(d1 + d2) 的结果是 8printf("表达式（1 + 2）的存储大小：%zu \n", sizeof(1 + 2)); // 4return 0;
}

        程序在 VS Code 中的运行结果如下所示：

2.3 注意事项

  1. 括号的可选性：
    • 对基本数据类型和表达式必须使用括号（如 sizeof(int)）。
    • 对变量或字面量可省略括号（如 sizeof a）。
    • 建议：为了统一规范和代码可读性，建议在使用 sizeof 时，始终使用括号，无论是对数据类型、变量、字面量还是表达式。例如：sizeof(int)、sizeof(variableName)、sizeof(42)。
    类型提升：
    • 字符字面量（如 'a'）在 sizeof 运算中会被提升为 int 类型。
  2. 平台和编译器依赖性：
    • 数据类型的大小可能因平台和编译器而异（如 long 可能是 4 或 8 字节、long double 可能是 8 字节、10 字节、12 字节或 16 字节）。

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