C語言變數與資料型別完整解說｜從基礎到實作，適合初學者

1. 前言

C 語言中變數與資料型別的重要性

本文的目的

1. 什麼是變數？ － 說明宣告與初始化的方法、命名規則等
2. 資料型別的分類 － 基本資料型別（int、float、char 等）與衍生資料型別（結構體、陣列、指標 等）
3. 型別轉換（轉型） － 隱式型別轉換與顯式型別轉換
4. 變數的作用域與生命週期 － 區域變數與全域變數的差異
5. 實務上資料型別的選擇方式 － 考慮記憶體使用量與計算精度的最佳選擇

在什麼情況下需要注意變數與資料型別？

記憶體最佳化

short num1 = 100;  // 2 位元組（16 位元）
int num2 = 100;    // 4 位元組（32 位元）

提升計算精度

float pi = 3.141592;  // 單精度浮點數（32 位元）
double pi_high = 3.14159265358979;  // 雙精度浮點數（64 位元）

透過型別轉換防止錯誤

int a = 10;
float b = 3.5;
int result = a + b;  // 隱式型別轉換（結果會被截斷為 int 型別）

float result_correct = (float)a + b;  // 正確的型別轉換

總結

2. 什麼是變數？

變數的基本概念

變數的特徵

• 用於保存資料的記憶區域
• 在程式執行期間可變更其值
• 根據資料類型（型別）分配記憶空間

變數的宣告與初始化

變數的基本宣告方式

資料型別 變數名;

變數的初始化

int num = 10;  // 整數型變數 num 以 10 初始化
float pi = 3.14;  // 浮點型變數 pi 以 3.14 初始化
char letter = 'A';  // 字元型變數 letter 以 'A' 初始化

C 語言的變數型別

變數名稱的命名規則與最佳實踐

C 語言的變數名稱規則

• 英文字母（A-Z、a-z）
• 數字（0-9） ※但 變數名稱開頭不可使用
• 底線（_）

• 保留字（例：int、float、return 等）
• 特殊字元（例：@, #, $ 等）
• 變數名稱開頭為數字

int _value = 10;  // OK
int number1 = 20;  // OK
int 1st_number = 30;  // NG（數字開頭的變數名稱不可）
int return = 100;  // NG（保留字不可使用）

考慮可讀性的命名（最佳實踐）

int userAge;  // 使用者的年齡
float circleArea;  // 圓的面積
char firstLetter;  // 最初的字元

int a;  // 意義不明
float b1;  // 不知道什麼資料
char x_y_z;  // 過於複雜

• 變數名稱要具備意義
• 多個單詞使用camelCase（例：userAge）或snake_case（例：user_age）
• 盡量避免縮寫（例：如 numOfStudents 具體化）

變數的使用方式（簡易程式）

範例程式碼

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5;
    int b = 10;
    int sum = a + b;  // 使用變數計算

    printf("a = %d, b = %d, sum = %dn", a, b, sum);
    return 0;
}

執行結果

a = 5, b = 10, sum = 15

總結

• 變數是暫時保存資料的記憶區域
• 在 C 語言中，宣告變數時必須指定資料型別
• 變數命名有規則，建議以可讀性為考量命名
• 使用變數可讓資料更易於管理

3. C語言的資料型概述

資料型是什麼？

C語言的資料型特點

int age = 25;        // 整數（只能儲存整數值）
float pi = 3.14;     // 浮點數（可處理小數）
char letter = 'A';   // 字元型（只能儲存單一字元）

C語言的資料型分類

基本資料型

整數型（Integer）

int number = 100;
short smallNumber = 10;
unsigned int positiveOnly = 300;

浮點型（Floating Point）

float pi = 3.14f;  // 加上 "f" 可為 float 型別
double precisePi = 3.1415926535;

字元型（Character）

char letter = 'A';
printf("%c", letter);  // 輸出 A

char letter = 'A';
printf("%d", letter);  // 65（'A' 的 ASCII 碼）

衍生資料型

資料型的選擇基準

for (unsigned int i = 0; i < 100; i++) {
    printf("%d ", i);
}

總結

• C語言的資料型包括 基本資料型（整數型、浮點型、字元型）與 衍生資料型（陣列、結構體、指標 等）。
• 選擇適當的資料型可提升程式的效能。
• 整數型通常使用 int，浮點型則常用 double。
• 善用衍生資料型，可更容易處理複雜的資料結構。

4. 基本資料型（原始型）

什麼是基本資料型？

1. 整數型（Integer）

整數型的種類與記憶體大小

整數型的使用範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 100;         // 一般的整數型
    short smallNum = 10;   // 小型整數（節省記憶體）
    long bigNum = 1000000; // 大的整數
    unsigned int positiveOnly = 300; // 只允許正整數

    printf("num: %d, shortNum: %d, bigNum: %ld, positiveOnly: %un", num, shortNum, bigNum, positiveOnly);
    return 0;
}

2. 浮點型（Floating Point）

浮點型的種類

浮點型的使用範例

#include <stdio.h>

int main() {
    float pi = 3.14f;         // 加上 "f" 則為 float 型別
    double precisePi = 3.1415926535;  // 更高精度的 double 型別

    printf("pi (float): %.7fn", pi);
    printf("precisePi (double): %.15lfn", precisePi);
    return 0;
}

3. 字元型（Character）

字元型的特徵

• 使用 1 位元組（8 位元）的記憶體
• char 型使用 ASCII 碼，內部以整數方式處理

字元型的使用範例

#include <stdio.h>

int main() {
    char letter = 'A';  // 儲存字元
    printf("letter: %c", letter);
    printf("ASCII碼: %d", letter);  // 'A' 為 65

    return 0;
}

適當選擇基本資料型

short smallNum = 32767;  // 節省記憶體

總結

• 基本資料型是 C 語程式的基礎，用於處理整數、小數與字元
• 整數型（int, short, long）處理整數，亦可使用無號（unsigned）
• 浮點型（float, double）處理小數，依精度選擇使用
• 字元型（char）處理單一字元，內部以整數儲存
• 適當選擇資料型別可提升程式效能，並節省記憶體

5. 派生資料型（Derived Data Types）

什麼是派生資料型？

1. 陣列（Array）

陣列的宣告與初始化

資料型 陣列名[元素數];

int numbers[5] = {10, 20, 30, 40, 50};

printf("%dn", numbers[0]);  // 輸出 10
numbers[1] = 25;  // 更新第2個元素

多維陣列（2D 陣列）

int matrix[2][3] = {
    {1, 2, 3},
    {4, 5, 6}
};

2. 結構體（struct）

結構體的定義與使用

struct Person {
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

int main() {
    struct Person person1 = {"Taro", 25, 175.5};
    printf("Name: %s, Age: %d, Height: %.1f cmn", person1.name, person1.age, person1.height);
    return 0;
}

3. 共用體（union）

共用體的定義與使用

union Data {
    int i;
    float f;
};

int main() {
    union Data data;
    data.i = 10;
    printf("Integer: %dn", data.i);

    data.f = 3.14;
    printf("Float: %.2fn", data.f);  // 此時 data.i 的值不確定

    return 0;
}

4. 列舉型（enum）

列舉型的定義與使用

enum Color { RED, GREEN, BLUE };

int main() {
    enum Color favoriteColor = GREEN;
    printf("Favorite Color: %dn", favoriteColor); // 1（GREEN 預設從 0 開始依序編號）
    return 0;
}

5. 指標（Pointer）

指標的基本

int a = 10;
int *ptr = &a;  // 將 'a' 的位址儲存於指標

printf("Address of a: %pn", &a);
printf("Pointer Value: %pn", ptr);
printf("Dereferenced Value: %dn", *ptr); // 10

指標的用途

總結

• 陣列 用於將相同型別的資料集中管理
• 結構體 用於將不同型別的資料作為一個單位處理
• 共用體 是共享記憶體的特殊資料型別
• 列舉型 用於定義有意義的常數
• 指標 用於處理變數的位址

6. 型別修飾子（Type Modifiers）

型修飾子是什麼？

1. const（宣告常數）

const 的使用範例

#include <stdio.h>

int main() {
    const int MAX_USERS = 100;  // 宣告為常數
    printf("Max Users: %dn", MAX_USERS);

    // MAX_USERS = 200;  // 錯誤！因為 const 無法更改值

    return 0;
}

將 const 套用於函式參數

void printMessage(const char *message) {
    printf("%sn", message);
    // message[0] = 'H';  // 錯誤！因為 const 無法修改
}

2. volatile（防止最佳化）

volatile 的使用範例

#include <stdio.h>

volatile int flag = 0;  // 防止最佳化

int main() {
    while (flag == 0) {
        // 某些處理（迴圈直到 flag 被更改）
    }
    printf("Flag changed!n");
    return 0;
}

• 在多執行緒處理中偵測變數的變更
• 讀取硬體暫存器
• 監視在割中斷處理中被更改的變數

3. restrict（指標最佳化）

restrict 的使用範例

#include <stdio.h>

void add_arrays(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict result, int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        result[i] = a[i] + b[i];
    }
}

• 指標運算的最佳化
• 數值計算的效能提升
• 向量運算（SIMD 最佳化）

4. signed 與 unsigned（有號與無號整數）

signed（有號整數）的使用範例

int a = -10;  // 可儲存負值
printf("%dn", a);  // 輸出 -10

unsigned（無號整數）的使用範例

unsigned int b = 250;
printf("%un", b);  // 輸出 250

unsigned int c = -10;  // 錯誤！負值無法儲存

• 不使用負值的計數器（迴圈變數等）
• 二進位資料處理（位元運算）
• 有效利用記憶體大小

int x = -1;
unsigned int y = x;  // 錯誤或產生意外結果

總結

7. 型變換（轉型）

什麼是型變換？

1. 隱式型變換（自動型變換）

隱式型變換的規則

• 小型資料型別 → 大型資料型別 會自動轉換
• 整數型 → 浮點型 會被轉換
• char → int（作為 ASCII 碼處理）

隱式型變換的範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 10;
    float b = a;  // int → float 自動轉換
    printf("b: %.2fn", b);  // 輸出: b: 10.00

    char letter = 'A';
    int asciiValue = letter;  // char → int 轉換（ASCII 碼）
    printf("ASCII value of A: %dn", asciiValue);  // 輸出: ASCII value of A: 65

    return 0;
}

2. 顯式型變換（轉型）

轉型的基本語法

(轉換後的資料型別) 值或變數

轉型的使用範例

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 10, b = 3;
    float result = (float)a / b;  // int 轉換為 float
    printf("Result: %.2fn", result);  // 輸出: Result: 3.33

    return 0;
}

3. 需要轉型的情況

(1) 整數相除

int a = 5, b = 2;
float result = a / b;  // 結果為 2（仍為整數）
float correctResult = (float)a / b;  // 正確得到 2.5

(2) 浮點 → 整數（小數部分截斷）

float pi = 3.14159;
int truncatedPi = (int)pi;  // 變成 3（小數部分被截斷）

(3) char → int（將字元轉為 ASCII 碼）

char letter = 'B';
int ascii = (int)letter;
printf("ASCII Code: %dn", ascii);  // 輸出: ASCII Code: 66

(4) 從 void * 轉型（指標）

void *ptr;
int num = 10;
ptr = #

int *intPtr = (int *)ptr;  // 從 void * 轉型為 int *
printf("Value: %dn", *intPtr);  // 輸出: Value: 10

4. 型變換的注意事項

(1) 資料精度遺失

float num = 3.9;
int rounded = (int)num;  // 結果: 3（小數點以下被截斷）

#include <math.h>
int rounded = round(num);  // 變成 4

(2) 注意 unsigned 與 signed 的轉換

unsigned int x = -1;
printf("%un", x);  // 輸出: 4294967295（32 位元環境）

(3) 從較大型別轉為較小型別（溢位風險）

long bigNum = 100000;
short smallNum = (short)bigNum;  // 可能無法正確儲存資料

printf("Size of short: %lu bytesn", sizeof(short));

總結

8. 變數的範圍與壽命

變數的範圍（有效範圍）是什麼？

C 語言的變數範圍類型

1. 區域變數（Local Variables）

區域變數的使用範例

#include <stdio.h>

void myFunction() {
    int localVar = 10;  // 區域變數
    printf("Local variable: %dn", localVar);
}

int main() {
    myFunction();
    // printf("%d", localVar);  // 錯誤！區域變數無法從函式外存取
    return 0;
}

• 可防止函式間的影響（安全性高）
• 節省記憶體（函式結束時自動釋放）

• 無法從函式外存取
• 每次呼叫函式時都會重新初始化（資料不會保留）

2. 全域變數（Global Variables）

全域變數的使用範例

#include <stdio.h>

int globalVar = 100;  // 全域變數

void myFunction() {
    printf("Global variable: %dn", globalVar);
}

int main() {
    myFunction();
    globalVar = 200;  // 可從任何地方修改
    printf("Updated global variable: %dn", globalVar);
    return 0;
}

• 可在整個程式中保留值
• 可在多個函式間共享資料

• 可能發生意外的修改（錯誤的原因）
• 持續佔用記憶體
• 不易模組化

3. 靜態變數（Static Variables）

static 的使用範例（保留區域變數）

#include <stdio.h>

void counter() {
    static int count = 0;  // static 保持值
    count++;
    printf("Count: %dn", count);
}

int main() {
    counter();  // 輸出: Count: 1
    counter();  // 輸出: Count: 2
    counter();  // 輸出: Count: 3
    return 0;
}

• 每次呼叫函式時都保留值
• 記憶體管理簡單

• 直到程式結束才釋放記憶體

static 的使用範例（限制全域變數）

static int fileVar = 100;  // 僅在此檔案內有效

4. 外部變數（Extern）

extern 的使用範例

file1.c

#include <stdio.h>

int sharedVar = 50;  // 全域變數

void printSharedVar() {
    printf("Shared Variable: %dn", sharedVar);
}

file2.c

#include <stdio.h>

extern int sharedVar;  // 參照 file1.c 的變數

int main() {
    printf("Accessing sharedVar: %dn", sharedVar);
    return 0;
}

• 可利用其他檔案的變數

• 依賴關係變強，導致維護性下降

5. 變數的壽命（Lifetime）

總結

9. 實務資料型的選擇方法

資料型選擇重要的原因

1. 想要節省記憶體時

整數的記憶體大小與選擇方式

記憶體節省的範例

short temperature;  // 為了節省記憶體而使用 short

2. 需要精度時

浮點數的選擇方式

確保精度的範例

double distance = 1234567.1234567;  // 需要高精度計算的情況

3. 不處理負值時

不處理負值的範例

unsigned int score = 250;

int x = -1;
unsigned int y = x;  // 會產生錯誤或非預期結果

4. 適合迴圈計數器的資料型別

for (unsigned int i = 0; i < 1000; i++) {
    // 迴圈處理
}

5. 處理文字時

char letter = 'A';   // 只能單一字元
char str[] = "Hello";  // 字串

6. 使用列舉型讓程式碼更易懂

enum Color { RED, GREEN, BLUE };

enum Color favoriteColor = GREEN;

7. 使用指標靈活管理記憶體

int num = 10;
int *ptr = &ampnum
printf("Value: %dn", *ptr);  // 10

8. 最佳資料型的選擇方式（總結）

• 需要節省記憶體時使用 short 或 char
• 需要精度時選擇 double
• 若不需要負值則活用 unsigned
• 為提升可讀性活用 enum
• 活用指標即可實現彈性記憶體管理

10. 總結

C語言中變數與資料型別的重要性

1. 什麼是變數？

• 變數是儲存資料的箱子，用於在程式中保持可變的值。
• 需要宣告與初始化變數，且選擇適當的資料型別很重要。

int age = 25;  // 整數型變數
float pi = 3.14;  // 小數型變數
char letter = 'A';  // 字元型變數

2. C語言的資料型別概述

• 基本資料型別（整數型・浮點型・字元型）
• 衍生資料型別（陣列・結構體・共用體・列舉型・指標）
• 透過選擇適當的資料型別，可防止記憶體浪費，提升程式效率。

3. 基本資料型別（原始型別）

4. 衍生資料型別（陣列・結構體・共用體・列舉型・指標）

• 陣列（Array） → 儲存多個相同型別的資料
• 結構體（struct） → 將不同型別的資料作為一個單位管理
• 共用體（union） → 共享記憶體的特殊資料型別
• 列舉型（enum） → 定義有意義的常數
• 指標（Pointer） → 儲存記憶體位址，實現彈性資料管理

5. 型別修飾子

const int MAX_USERS = 100;  // 值不可變更

6. 型別轉換（轉型）

int a = 10;
float b = (float)a / 3;  // 轉型

7. 變數的作用域與生命週期

• 區域變數 → 僅在函式內有效
• 全域變數 → 在整個程式中有效（但需注意管理）
• static → 可保持值，但作用域受限
• extern → 可從其他檔案參照變數

static int counter = 0;  // 保持值的區域變數

8. 實務上資料型別的選擇方式

9. FAQ（常見問題）

Q1. int 與 long 的差異是？

long num = 1000000;

Q2. float 與 double 該使用哪一個？

double distance = 3.1415926535;

Q3. 使用 unsigned 有何不同？

unsigned int positive = 250;

Q4. char 型也能作為數值使用嗎？

char letter = 'A';
int ascii = (int)letter;  // 65

Q5. 使用 const 的好處是？

const int MAX_VALUE = 100;

總結

• 在 C 語言中，適當的資料型別選擇能提升程式品質
• 善用型別修飾子與轉型，可撰寫安全且高效的程式
• 了解作用域與生命週期，即可適當管理變數
• 掌握實務上資料型別的選擇，可進行更佳的程式設計