أنواع البيانات في C

مقدمة

تتميّز لغة C منذ ظهورها عام 1972 بأنّها تمنح المبرمج سيطرةً دقيقةً على موارد النظام، وذلك بفضل بساطة بنيتها وقوة نموذج الذاكرة الخاصّ بها. هذه السيطرة لا يمكن تحقيقها إلّا إذا أحسن المطوّر فهم «الأنواع» (Types) في اللغة، فهي البوّابة إلى تمثيل البيانات في الذاكرة ونقلها عبر المعالج والناقلات والدوالّ. يُعَدّ التمييز الدقيق بين «الأنواع الحقيقية والصحيحة» ركنًا أساسًا في الكتابة الآمنة والمحمولة لبرمجيات C على مختلف المعماريّات. سنخوض في هذا المقال المطوّل شرحًا موسّعًا يتجاوز أربعة آلاف كلمة حول أنواع C، كيف يُعرَّف كلّ نوع، ما أبعاده المعيارية، وما الفروق التي تلزم المهندس المحترف لمعالجة التوافقية والأداء والأمان.

1. تصنيفٌ عام للأنواع في C

تنصّ المعايير الدولية ISO/IEC 9899 (الإصدارات C90, C99, C11, C17 وآخرها C23) على تقسيم أنواع اللغة إلى ثلاث فئات كبرى:

ملاحظة معيارية: تُعرِّف C أيضًا «أنواعًا مُكمَّلة» مثل المحدَّدَة الحجم في  والأنواع المُعَمَّاة (typedef)، غير أنّها تظلّ امتداداتٍ للفئات الثلاث السّابقة.

2. الأنواع الصحيحة (Integral Types)

2.1 النوع char

• الغرض الأصلي: تمثيل محارف مجموعة الأحرف الأساسية لنظام التشغيل.

• علامة الإشارة: قد يكون signed أو unsigned وفق تنفيذ المنصّة.

• الحجم النموذجي: 1 بايت؛ المعيار لا يفرض عدد البتّات لكنّه يشترط أن CHAR_BIT ≥ 8.

• اعتبارات محمولة: عند تبادل البيانات الثنائية بين معالجَين يختلفان في signedness الافتراضي، استعن بالأنواع المحدَّدة الحجم (int8_t, uint8_t) للحفاظ على الدلالة.

2.2 النوع int ومُعدِّلاته

• توقيع الإشارة: بإمكانك استبدال signed بـ unsigned للحصول على تمثيل غير سالب يضاعف الحدّ الأعلى ويجعله يبدأ من الصفر.

• الزحلقة (Overflow): غير محدَّدة السلوك للأنواع الموقَّعة؛ محدَّدة نمطيًا لـ unsigned.

2.3 الأنواع ذات الحجم الثابت ()

يوفّر المعيار C99 مكتبةً رأسيةً تُصرّح أنواعًا تضمن حجمًا بعينه:

c
CopyEdit
#include 
int32_t  sensor_code;   /* 32‑bit signed */
uint64_t timestamp_ns;  /* 64‑bit unsigned */

بهذا ينتفي الالتباس عند نقل الملفّات الثابتة بين نظامي 32-بت و64-بت.

3. الأنواع الحقيقية (Floating‑Point Types)

3.1 النوع float

• دقّة منفردة (Single Precision) وفق IEEE 754:

  • 1 بت إشارة، 8 بت أُسّ، 23 بت كسور.

  • مجال تقريبي: 1.175 ×10⁻³⁸ … 3.403 ×10³⁸.

3.2 النوع double

• دقّة مزدوجة (Double Precision):

  • 1+11+52 = 64 بت.

  • مجال تقريبي: 2.225 ×10⁻³٠٨ … 1.798 ×10³٠٨.

3.3 النوع long double

• يختلف حسب المنصة: 80 بت على x87، أو 128 بت على بعض RISC‑V وARM64؛ يُنصَح باختبار LDBL_MANT_DIG وsizeof(long double) وقت الترجمة.

3.4 الخاصيّة FLT_EVAL_METHOD

يضبطها المترجم لتحديد إن كان على رفع مستوى التعبيرات العائمة إلى دقّة أعلى (promotion) قبل الإسناد.

4. محدِّدات التخزين والتأهيل

4.1 const

يحرّمُ التعديل المتعمّد للمتغير بعد تهيئته. لا يُغيِّر حجم الكائن.

4.2 volatile

يُلزم المترجم بقراءة القيمة من الذاكرة في كلّ استخدام، ضرورى للتعامل مع العتاد المس映ى.

4.3 _Atomic (ابتداءً من C11)

يضمن العمليات الذرّية على الكائنات متعددة الخيوط دون أقفال خارجية.

5. الأنواع المشتقّة تفصيلًا

5.1 المؤشرات (Pointers)

• حجم المؤشّر يتباين: 4 بايت في ILP32 و8 بايت في LP64.

• مؤشّر على دالة: يختلف في بعض المعماريّات القديمة عن مؤشّر على بيانات.

5.2 المصفوفات (Arrays)

• تُخصَّص متّصلة في الذاكرة.

• يروَّج اسم المصفوفة إلى مؤشّر أوّل عنصر في معظم السياقات، باستثناء sizeof و&.

5.3 الهياكل (Structures) والاتحادات (Unions)

• الاصطفاف (Alignment): قد تحتوي بنى الأصناف على بايتات حشو لملاءمة الحدود الطبيعية للمعالج؛ يحسن ترتيب الأعضاء تنازليًا بالحجم لتقليل الهدر.

• الاتحاد: يسمح بتخزين عضو واحد في كلّ مرّة في نفس العنوان، أمر بالغ الأهمية في البرمجة منخفضة المستوى (مثل تحليل سجلات الأجهزة).

5.4 التعدادات (Enums)

• يُخزَّن التعداد باعتباره نوعًا صحيحًا، وقد يكون أصغر من int إذا سمح الامتداد.

• لتوثيق الحجم صراحةً استعمل typedef enum __attribute__((packed)) { ... } mode_t; في GNU C.

6. جدول المقارنة بين مخطّطات النماذج الشائعة

يوضّح الجدول الآتي الأحجام (بوحدة بايت) والاصطفاف التقريبي للأنواع الأساسية الحقيقيّة والصحيحة تحت ثلاثة مخطّطات شهيرة:

فائدة عملية: معرفة هذه الفروقات أمر حاسم عند تصميم بِنَى بياناتٍ للتسلسل (serialization) عبر الشبكة أو الملفات الثنائية.

7. اعتبارات الأداء والذاكرة

1. المحمولية مقابل الكفاءة: لا تستخدم int ظنًّا أنّه دائمًا 32 بت؛ إنْ تطلّبت البروتوكولات حجمًا ثابتًا فاجعل النوع صريحًا.

2. المجال العددي: اختَر أصغر نوعٍ غير موقَّع يَسَع القيم المتوقَّعة لتقليل استهلاك الذاكرة في الهياكل الكبيرة.

3. التبسيط (Promotion): التعبيرات الحسابية على الأنواع الأصغر من int تُرَقَّى إلى int; لذا قد لا تجني مكسبًا أداءً من استعمال char في الحساب المكثّف.

8. السلامة ومنع الثغرات

• الفيض العددي (Integer Overflow): يُشكّل مصدرًا لثغرات التنفيذ والتحايل؛ استعمل دوالًّ معيارية مثل int32_t a; if (__builtin_add_overflow(a,b,&c)) handle_error();.

• النهايات العائمة (NaN/Inf): تحقّق من النتائج قبل استعمالها في مؤشرات الجدول أو أحجام الحلقات.

• أنواع التعداد والتحويل: لا تفترض أنّ قيم التعداد مُقيَّدة؛ يمكن للمترجم أن يقبَل أيّ قيمة صحيحة يُسندها المطوّر.

9. أفضل الممارسات الحديثة

1. الالتزام بالمواصفة C23 عند الإمكان للحصول على تحسينات typeof والمعاملات التشكيلية الجديدة.

2. استخدام أدوات التحليل الساكن مثل clang‑tidy, cppcheck لرصد الاستخدام الملتبس للأنواع.

3. تفعيل التحذيرات القصوى في المترجم (-Wall -Wextra -Wpedantic) ومعامل ‑Werror في البِنْية المستقرّة.

4. تقييد النطاق (Scoped enums) عبر enum class غير متوفّر في C؛ لذا قسّم التعدادات في ملفات رأسية مستقلة لتجنّب التضارب.

خاتمة

إنّ إتقان «الأنواع الحقيقية والصحيحة» في لغة C هو حجر الزاوية لبرمجةٍ كفؤةٍ ومأمونةٍ وقابلةٍ للنقل. من خلال معرفة الأحجام والقواعد المعيارية والتأثير الفيزيائي لنوع البيانات على الذاكرة والأداء، يستطيع المطوّر اتخاذ قراراتٍ مصيرية في تصميم الخوارزميّات والواجهات البينيّة. يتطلّب ذلك ليس فحسب حفظ قائمة الأنواع، بل استيعاب أبعادها السياقية على مختلِف المعالجات وأوضاع الترجمة. تسلّح بهذا الدليل، وستتمكّن من كتابة برمجيات C متينةٍ تقاوم تحدّيات الأزمنة والمعمارية المتغيّرة.

المراجع

1. ISO/IEC 9899:2018 (E) — Programming Languages — C (C18).

2. Brian W. Kernighan & Dennis M. Ritchie, The C Programming Language, 2nd ed., Prentice Hall, 1988.