C语言中的int类型的范围是由什么决定的

在 K&R 经典教材 The C Programming Language 的2.2节中，对 int 类型是这样描述的

an integer, typically reflecting the natural size of integers on the host machine

意思是反映了机器整数类型的 natural size，可是，

这个 natural size 又是什么意思呢？

书中后来在谈到 short, int, long 的关系时，又说，这些类型由编译器根据机器*选择合适的大小，但是 short 和 int 至少 16 位，long 至少 32 位。

这里的问题是

编译器是根据什么决定类型大小呢？

后面书中又提到，这些类型啊，在<limits.h>中都有，我就在ubuntu下查看了 /usr/include/limits.h，里面确实提到

/* Minimum and maximum values a `signed int‘ can hold.  */
#  define INT_MIN   (-INT_MAX - 1)
#  define INT_MAX   2147483647

但是，这也是一种定义，还是没有说出为什么，我现在想知道的是

为什么

于是，我想起了那些年扫过的 《深入理解计算机系统》，英文名叫 Computer Systems: A Programmer‘s Perspective，速查之！

在2.1节的开头提到，字节(byte)是最小可寻址单位，大多数计算机使用8位的块。 啊，8位，那位又是什么呢？嗯，位是一种存储结构，一个位只能存储0或者1。

后面2.1.2节中提到

每台计算机都有一个字长(word size)，指明了整数和指针数据的 nominal size。

指针是什么，指针就是内存中的地址啊，假如字长为w位，那么地址的数目就是2^w个啊，那一个地址代表多大内存呢？

前面说了，字节(byte)是最小可寻址单位，所以一个地址代表一个字节。当字长是w位时，地址数目2^w个，共有2^w个字节的内存空间。

如果计算机字长为32，即传说中的32位计算机，那么它可以表示的内存空间就是 2^32 个字节，这就是传说中的4G啊！

现在我们是由字长32位，也就是整数的大小32位，推出了内存空间4G。我现在在想：

是不是一开始是决定内存空间是4G，所以才定下了字长32位的规矩，由此，机器的natural size是32位， 所以，编译器才将C语言中int类型才是32位呢？

可是我没有证据啊！

没有证据就尝试推理一下吧。

我们知道32位机器是由16位机器扩展来的，那为什么要扩展机器字长呢？这个问题原因之一，我们刚才已经解释过了，如果不扩展，那么机器最大寻址空间就比较小，即使我给你一个大内存，你也用不上啊。这可能这也今天我们从32位转到64位的原因吧。

所以，现在我们明白了，由于我们想要更大的内存地址空间，所以就将字长从16位提升为32位，而字长代表着指针和整数类型的大小，所以最终整数类型就是32位了。

不过这里还有不少问题。

字长这东西只是个抽象的概念，方便我们描述机器的一些属性，暂时不谈。

先说指针。对于机器来说，哪里有什么指针的概念，指针是C语言中的东西，编译成汇编后就没指针这个概念了。但是，指针表示的是内存的地址，而内存的地址又和机器中的什么部件相关呢？

再说整数。到汇编这一层，整数的概念还存在吗？整数的概念应该是和汇编中的算术指令相关，那么算术指令又和机器中的什么部件相关呢？

最后，指针是表示内存地址啊，我们有了更大内存，那么内存地址需要更长的位来表示是可以理解的，可是，这关你整数什么事啊？我内存地址32位，整数16位不行吗？

其实，总的问题就是

字长都与机器的什么部件相关

要解释这个问题，我们发现自己不由自主地来到了《深入理解计算机系统》的第四章“处理器体系结构”。

这一章以一种叫Y86的处理器介绍了处理器体系结构的方方面面。首先介绍了寄存器，寄存器是一种存储部件，存储什么？存储信息，存储信息用来做什么呢？用来计算。我们在C语言中使用一个简单的加法计算，在处理器这一层，就需要使用寄存器来帮助我们计算。我们把一个简单的C语言编译成汇编看看。

/* test_add.c */
#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = a + b;

    return 0;
}

使用 GCC 编译一下

   gcc -S test_add.c -o test_add.s

然后查看一下主要代码。

    movl    $1, -12(%ebp)
    movl    $2, -8(%ebp)

    movl    -8(%ebp), %eax
    movl    -12(%ebp), %edx

    addl    %edx, %eax
    movl    %eax, -4(%ebp)

其中的 ebp eax edx 就是寄存器。

可以看出，数据先放到栈里，再从栈里放到寄存器里，然后再进行加法运算，最后再从寄存器里把结果放回栈里。

下面的图是书中给出的一个处理器的抽象视图：

栈是什么？栈是一种抽象概念，这里的栈就是指内存。

书里说了，在32位计算机中，这些寄存器的大小就是32位。可见，

字长与寄存器大小一样

除此之外，我们可以看到，需要计算的时候，movl 指令将数据从内存中放到寄存器里，由于内存和寄存器是不同的部件，所以需要一个部件来传递数据，这种部件叫做数据总线。

寄存器的大小与字长相同，那么这种数据总线每次能传送的数据也应该与字长相同，所以：

字长与数据总线宽度一样

另外，再想像一下，你想要从内存中取数据出来，总要告诉内存你取的是哪个地址的数据吧，所以，“地址”这个数据也是要从某个地方传送到内存的。只要传递，就需要有部件支持，这个部件叫做地址总线，地址总线传递地址，地址大小与字长一样，那么，我们可以知道：

字长与地址总线宽度一样

好了，到了这里，我们的分析就差不多了，总结一下：

我们由C语言中int类型的大小，得到了字长这个概念，又从字长这个概念寻找了与其相关的一些机器部件的属性。到现在为此，与字长相关的有:

• int 类型
• 指针（即内存地址）
• 寄存器
• 数据总线
• 地址总线

在 Wikipedia 的 Word(computer_architecture)词条中，我们可以看到自1837年以来，一系列计算机体系结构中与字长相关的一些属性的变化。

我们再想想，为什么要将这么多种部件都设置成相同长度？我想，可能是因为计算机内部实在太复杂了，各个部件之间需要紧密地配合，共同完成复杂的任务。尤其是数据，需要在各个部件之间传递，如果这些部件之间大小不统一，就会增加机器的复杂度，由于，我们将这些部件大小尽可能统一，进而提出字长这种概念来描述计算机的重要性质。

到这里，我们再想一下，字长这个概念和这么多部件相关，那么确定字长多大应该不仅仅与内存大小有关系。比如字长代表寄存器的大小，寄存器与机器的运算直接相关，字长变大后，每次能参与计算的值也相应变大，以前我们计算两个很大的数的和时，可能需要动用好几个寄存器，现在咱字长大了，寄存器也大了，只需要两个寄存器就可以了。

由此可见，字长的确定是一个综合的考量，代表着计算机计算，存储能力的全面提升。

文章结束了，思考永不停止。

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C语言中的int类型的范围是由什么决定的