Arduino - 数据类型

Arduino - 现代 C++ 中的数据类型

在为 Arduino 编程时，您主要使用的是 C++ 语言。数据类型是 C++ 中声明变量和函数的基本概念。变量的类型决定了它在内存中的大小以及存储的位（bit）如何被解释。在像 Arduino 这样的内存受限微控制器上，选择正确的数据类型至关重要。

本指南涵盖了 Arduino 开发中基本的数据类型，并更新了现代的最佳实践。

核心数据类型概述

以下是 Arduino 环境中可用基本数据类型的总结：

类型	大小 (Uno/AVR 板上)	范围 / 描述
boolean	1 byte	存储 true 或 false。
byte	1 byte	存储 0 到 255 的无符号数字。
char	1 byte	存储字符或 -128 到 127 之间的小整数。
unsigned char	1 byte	存储 0 到 255 的无符号数字（与 byte 相同）。
int	2 bytes	存储 -32,768 到 32,767 之间的整数。
unsigned int	2 bytes	存储 0 到 65,535 之间的无符号整数。
long	4 bytes	存储 -2,147,483,648 到 2,147,483,647 之间的大整数。
unsigned long	4 bytes	存储 0 到 4,294,967,295 之间的大无符号整数。
float	4 bytes	存储单精度浮点数。
double	4 bytes	在基于 AVR 的板（Uno、Mega）上与 float 相同。在现代 ARM 板（Due、Portenta）上为 8 字节。
void	N/A	用于表示函数不返回任何值。

关键数据类型深入解析

void

void 关键字专门用于函数声明中，以指定函数不返回任何值。内置的 setup() 和 loop() 函数就是经典的例子。

void setup() {
  // 这个函数只运行一次，不返回任何值。
}

boolean

boolean 类型存储两个值之一：true 或 false。它非常适合跟踪状态，例如 LED 是开还是关。它占用一个字节的内存。

const int ledPin = 13;
boolean isLedOn = false;

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (isLedOn) {
    digitalWrite(ledPin, LOW);
    isLedOn = false;
  } else {
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
    isLedOn = true;
  }
  delay(1000);
}

char 和算术运算

char 类型使用一个字节的内存存储字符值。字符字面量用单引号括起来（例如 'A'）。在内部，字符根据 ASCII 表存储为数字。这允许对它们进行算术运算。

// 'A' 的 ASCII 值为 65。
char myChar = 'A';

// 这将得到字符 'C'，其 ASCII 值为 67。
char nextChar = myChar + 2;

Serial.print(nextChar); // Prints "C"

最佳实践：固定宽度整数

嵌入式系统中一个常见问题是 int 类型的大小可能因架构而异（例如，在 Arduino Uno 上为 2 字节，在 Arduino Due 上为 4 字节）。这在移植代码时可能导致意外行为。

为避免此问题，现代 C++ 实践鼓励使用 固定宽度整数 从 <stdint.h> 头文件。这些类型明确声明了它们的大小。

• int8_t / uint8_t：8 位有符号/无符号整数（等同于 char 和 byte）。
• int16_t / uint16_t：16 位有符号/无符号整数（等同于 Uno 上的 int）。
• int32_t / uint32_t：32 位有符号/无符号整数（等同于 long）。
• int64_t / uint64_t：64 位有符号/无符号整数。

#include <stdint.h>

// 这个变量在任何 Arduino 板上都将是 16 位。
uint16_t sensorValue = 1023;

字符串：String 对象与 C 风格字符数组

在 Arduino 中处理文本可以通过两种方式完成，每种方式都有显著的权衡。

1. C 风格字符串（char 数组）

这是传统的、内存高效的方式。字符串是一个以空终止符（'\0'）结尾的字符数组。它们速度快，不会导致内存碎片，但操作起来可能更复杂。

char message[16] = "Hello, world!"; // 16 个字符的数组，其中 15 个用于文本，1 个用于空终止符。
Serial.println(message);

2. Arduino String 对象

String 对象提供了易于使用的文本操作方法（连接、搜索等）。然而，它使用动态内存分配。在小型微控制器上，频繁创建和销毁 String 对象可能导致堆碎片，最终导致程序意外崩溃。

String message = "Hello, ";
String name = "Arduino";

// 易于连接，但在幕后使用动态内存。
String greeting = message + name;
Serial.println(greeting);

建议

对于小型、稳定的程序（sketch），String 对象可能很方便。对于任何大型、长期运行或任务关键型应用，强烈建议使用 C 风格字符数组以避免内存问题。

复合类型和用户定义类型

数组

数组是相同类型变量的集合。

int sensorReadings[5]; // 一个用于存储 5 个整数读数的数组。
sensorReadings[0] = analogRead(A0);
sensorReadings[1] = analogRead(A1);

结构体

struct 允许您将不同数据类型分组到一个单一的用户定义类型中。这对于组织相关数据非常有用。

struct SensorData {
  int id;
  float temperature;
  float humidity;
  boolean isActive;
};

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  SensorData livingRoomSensor;
  livingRoomSensor.id = 1;
  livingRoomSensor.temperature = 22.5;
  livingRoomSensor.humidity = 45.8;
  livingRoomSensor.isActive = true;

  Serial.print("Sensor ID: ");
  Serial.println(livingRoomSensor.id);
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.println(livingRoomSensor.temperature);
}

常见错误和调试

• 整数溢出（Integer Overflow）：将超出其范围的值赋给数值变量。例如，int count = 40000; 将会溢出并导致一个负数。请使用更大的类型，如 unsigned int 或 long。
• 有符号/无符号不匹配（Signed/Unsigned Mismatch）：对有符号和无符号数字进行算术运算可能导致意外结果，尤其是在比较时。
• 浮点数不精确（Floating Point Imprecision）：float 和 double 是近似值。不要直接使用 == 比较它们。相反，应检查其绝对差值是否在很小的容差范围内：if (abs(a - b) < 0.001) { ... }。