变量与内存 · Topos Uranos

摘要

命令式程序不是一下子算出结果的：它一步一步地构造结果，保存中间值并不断改变它们。本课研究保存这些值的地方，即变量：它是一个有名字、类型和值的存储单元。本课讲授如何用花括号声明并初始化变量，以及为什么花括号是首选的写法；如何用赋值改变变量的值，而赋值的符号 = 并不是它在数学中的意思；如何用跟踪表追踪程序的状态，也就是程序在每一时刻所有变量的值；如何选择能说明变量保存什么的名字；以及如何避免这一阶段最无声无息的错误：读取一个从未被赋予值的变量，这在 C++ 中是未定义行为。

学习目标

用花括号声明并初始化变量，并在给定的程序中区分初始化与赋值。
用跟踪表手工追踪由一连串赋值组成的程序的状态，并据此预测其输出。
按照语言的规则和本课程的指南，选择能说明每个变量保存什么的英文名字。
解释为什么读取未初始化的变量是未定义行为，在程序中识别它，并通过始终初始化来预防它。

作为存储单元的变量

在从问题到算法一课中，算法是用 $q$ 和 $r$ 这样的字母写成的，它们先取一个值，后来又取另一个值：“ $r$ 取值为 $r - b$ ”。在数学中，一个字母表示一个固定的值，尽管这个值可能未知；而在算法中，它表示一个内容会变化的位置。C++ 程序也需要同样的东西，它从计算机的内存中得到它。

主存是一长串字节，每个字节都有自己的序号，即它的地址。变量是程序为其赋予名字和类型的一段内存。因此，变量有四个属性：

名字，程序用它来指称这个变量（count、price）；
类型，它规定变量能保存哪些值、占用多少字节、允许哪些运算：int 保存整数，double 保存带小数的数；
值，即变量在某一时刻保存的值，它在程序运行期间可以改变；
内存中的位置，由编译器和系统选定，程序几乎从来不需要知道它。

值得记住的图景是一个格子：名字写在上方，值放在里面。类型就是格子的大小和形状；int 的格子放不进 2.5，正如信箱的投信格放不进一个包裹。本课的图就是这样画出程序的状态，并在每条语句之后重新画一次。

类型决定大小，这一点可以看到：运算符 sizeof 给出一个变量或一个类型所占的字节数。

C++ 程序

#include <print>int main(){    const int count{12};    const double price{4.5};    std::println("count 占 {} 个字节", sizeof(count));    std::println("price 占 {} 个字节", sizeof(price));}

输出

count 占 4 个字节price 占 8 个字节

在这里，int 占 4 个字节，double 占 8 个。这些数字并非在所有系统上都相同，每种类型能容纳多少个不同的值取决于它们；整数及其表示和浮点数两课将研究这一点。这里只需记住要点：变量的类型在声明时确定，永不改变；改变的是它的值。