问题

C/C++基本数据类型里面为什么没有byte呢?

回答
好的,我们来聊聊 C/C++ 里为什么没有一个叫做 `byte` 的基本数据类型。这确实是个有趣的问题,背后涉及到语言设计哲学、历史渊源以及 C/C++ 的核心定位。

首先,我们要明确一点:C/C++ 确实没有一个叫做 `byte` 的关键字作为内置的基本数据类型。

那么,为什么会这样呢?这主要有以下几个方面的原因:

1. 历史的印记与 C 语言的遗产

C 语言作为 C++ 的前身,它的设计哲学深受早期计算机硬件和汇编语言的影响。在早期,内存的单位通常是“字节”(byte),但编程语言层面并没有一个显式的、独立的 `byte` 类型。内存中的数据就是一串串比特,而我们访问和操作它的方式是通过字节来组织的。

C 语言的设计者为了与硬件保持一致,同时也为了提供一种低级、高效的内存访问能力,引入了 `char` 类型。并且,C 标准中明确规定:

> “一个字节(byte)是足以容纳基本字符集(如 ASCII)的一个字符的最小的地址单位。”

这一定义就为 `char` 类型赋予了“字节”的语义。在绝大多数现代计算机架构上,一个字节确实是 8 位(bit)。所以,虽然没有 `byte` 这个关键字,但 `char` 类型在很多场景下就扮演了“字节”的角色。

2. 强调“有符号”与“无符号”的区别

C/C++ 对数据是有符号(signed)和无符号(unsigned)的区分非常看重。这在处理二进制数据、位操作或者进行数值计算时至关重要。

`char` 类型: C 标准并没有强制规定 `char` 是有符号还是无符号。这取决于具体的编译器和目标平台。这意味着 `char` 可能是有符号的(范围大致是 128 到 127),也可能是无符号的(范围是 0 到 255)。
`signed char` 和 `unsigned char`: 为了明确表达意图,C/C++ 提供了 `signed char` 和 `unsigned char` 这两个类型。`signed char` 明确表示有符号,`unsigned char` 明确表示无符号。
`unsigned char` 的范围通常是 0 到 255,这与我们通常理解的“字节”的数值范围非常吻合。当我们说要操作一个字节的数据时,使用 `unsigned char` 是最自然、最安全的选择,因为它避免了符号位带来的混淆。

如果 C/C++ 直接引入一个 `byte` 类型,那么问题来了:`byte` 应该是有符号还是无符号?如果它是无符号的(就像 `unsigned char`),那么它就与 `unsigned char` 非常相似,可能会造成类型上的冗余。如果它是为了处理“任意字节数据”而设计的,那么无符号的性质会更符合实际需求。

3. C++ 的“更进一步”—— `std::byte` 的出现

虽然 C/C++ 标准库在 C++17 之前没有提供 `byte` 这个名字的独立类型,但 C++ 社区一直有在使用 `unsigned char` 来模拟字节操作。

C++17 标准引入了 `std::byte` 类型,它被放置在 `std` 命名空间下。这个 `std::byte` 的出现,恰恰是为了解决 C/C++ 中 `char` 类型语义模糊的问题,尤其是在处理原始内存数据、网络协议、文件 I/O 等需要精确控制字节表示的场景。

`std::byte` 的设计理念是:

它只表示一个字节的存储单位,不具备数值的含义。 这意味着你不能直接对 `std::byte` 进行算术运算(如加减乘除)。如果你想对字节的数值进行运算,你需要将其转换为 `unsigned char` 或其他整数类型。
它永远是无符号的。 这使得它成为处理二进制数据时的首选,因为它消除了对符号位的担忧。
它提供了更强的类型安全性。 使用 `std::byte` 可以更清晰地表明你的意图是操作原始字节,而不是字符或数值。

为什么 C/C++ 之前不直接引入 `byte`?

这与 C++ 作为一门“渐进式”的语言有关。C++ 在设计上力求兼容 C,并在此基础上添加更高级的特性。直接在 C 语言层面增加 `byte` 关键字,可能会破坏 C 的现有代码和 ABI(应用程序二进制接口)。

而 C++17 引入 `std::byte`,则是在语言层面的“扩展”,通过标准库的方式来提供这个功能,并且是通过一个命名空间来隔离,对现有的 C 代码和绝大多数 C++ 代码的影响都非常小。

总结一下:

1. 历史原因: C 语言的设计受到早期硬件的影响,`char` 类型在很多时候被用来充当“字节”的角色。
2. 语义清晰: C/C++ 强调有符号/无符号的区别,`unsigned char` 通常被视为最接近“字节”的类型。
3. C++17 的演进: 为了更清晰、更安全地表示原始字节数据,C++17 引入了 `std::byte` 类型,它是一个无符号的、不具备数值运算含义的字节类型。

所以,虽然 C/C++ 基本数据类型中没有 `byte` 这个关键字,但你完全可以使用 `unsigned char` 来处理字节数据,并且在 C++17 及以上版本,`std::byte` 是一个更现代、更推荐的选择。这反映了 C++ 在不断演进,以适应现代编程的需求,同时又不失其底层的强大能力。

网友意见

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如果题主以后读C、C++标准文档的话,会发现这个看似比较怪异的地方:

在“运算符 - sizeof”一节中提及,char类型为最小的长度单元,需保证:

           sizeof(unsigned char) == 1     sizeof(char) == 1     

而在“类型 - char”一节又规定到:char至少需要有8个二进制位,如此可以包含1个符号位和7位ASCII码。

以当下的眼光看,这种的描述很奇怪。因为直接说一个char为8个二进制位不就好了嘛。

实际上8个二进制位为一个“字节”这种约定俗成的概念出现得很晚,得到普遍认同已经是上世纪80年代后期的事了。很长一段时期内,谈及计算机“位宽”(bit width),只说“字长”(word),而没有现在意义上的“字节”(byte)概念;在7位ASCII码普及(上世纪70年代)以前,软硬件上曾使用过很多6位字符编码(题主可以在维基百科上搜索“6bit character code”这个词条),正由于这个原因,80年代以前大量计算机的位宽是6,而不是8的倍数,比如当年Ken Thompson和Dennis Ritchie使用的PDP-7就是18位的机器。那时,char的实现版本是9位,不是今天广为人知的8位。

现在,C/C++中“char”就是“byte”,成为事实上的标准;就像当年“8个二进制位是一字节”的约定一样。

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