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C语言进阶内功修炼——深度剖析数据在内存中的存储

news 来源：原创 2024/5/6 2:57:24

🐒个人主页：平凡的小苏

📚学习格言：别人可以拷贝我的模式，但不能拷贝我不断往前的激情

🚀1. 数据类型介绍

🌇1.1 类型的基本归类：

🚀2. 整形在内存中的存储

🎇2.1 原码、反码、补码

🌇2.2 大小端介绍

🛸2.3 练习

🚀 3. 浮点型在内存中的存储

🌇 3.1 浮点数存储规则

🎇3.2 浮点数在内存中的存储的一个例子

1. 数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：以及他们所占存储空间的大小。

char // 字符数据类型

short       //短整型

int // 整形

long      // 长整型

long long // 更长的整形

float    // 单精度浮点数

double // 双精度浮点数

类型的意义：

1.使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）

2.如何看待内存空间的视角

1.1 类型的基本归类：

整形家族：

char

unsigned char

signed char

short

unsigned short [ int ]

signed short [ int ]

int

unsigned int

signed int

long

unsigned long [ int ]

signed long [ int ]

注意：1. char类型在语法中没有规定是有符号或者是无符号类型，取决于编译器决定，而VS是默认为有符号类型

浮点数家族：

float

double

构造类型：

> 数组类型

> 结构体类型 struct

> 枚举类型 enum

> 联合类型 union

指针类型 ：

int * pi ;

char * pc ;

float* pf ;

void* pv ;

空类型：

void 表示空类型（无类型）

通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型

2. 整形在内存中的存储

我们之前讲过一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。

那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

例如：

int a = 20;

int b =-10;

我们知道为a分配四个字节的空间。

那应该如何存储在内存空间的呢？为此让我们来探讨一番

下面来了解下面的概念：

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法，即原码、反码和补码。

三种表示方法均有符号位和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位

正数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同。

原码

直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。

反码

将原码的符号位不变，其他位依次按位取反就可以得到反码。

补码

反码+1就得到补码。

画图演示：

注：如果想要补码转换为原码，将其补码减一，然后符号位不变其他位按位取反即可。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

为什么呢？

在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。原因在于，使用补码，可以将符号位和数值域统一处理；

同时，加法和减法也可以统一处理（CPU只有加法器）此外，补码与原码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

2.2 大小端介绍

我们先来看一个a和b的数据在内存中的存储：

我们可以看到对于 a 和 b 分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点 不对劲 。

这是又为什么？

这就属于编译器的大小端问题了！

什么大端小端：

大端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位保存在内存的低地址中；

小端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中。

为什么有大端和小端：

为什么会有大小端模式之分呢？这是因为在计算机系统中，我们是以字节为单位的，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为8 bit。但是在C语言中除了8 bit的char之外，还有16 bit的short 型，32 bit的long型（要看具体的编译器），另外，对于位数大于8位的处理器，例如16位或者32 位的处理器，由于寄存器宽度大于一个字节，那么必然存在着一个如何将多个字节安排的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。例如：一个 16bit 的 short 型 x ，在内存中的地址为 0x0010 ， x 的值为 0x1122 ，那么 0x11 为高字节， 0x22 为低字节。对于大端模式，就将 0x11 放在低地址中，即 0x0010 中， 0x22 放在高地址中，即 0x0011 中。小端模式，刚好相反。我们常用的 X86 结构是小端模式，而 KEIL C51 则为大端模式。很多的ARM，DSP都为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式

还是小端模式。

我们可以看看往年的百度笔试题:

请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。

#include <stdio.h>
int check_sys()
{
 int i = 1;
 return (*(char *)&i);
}
int main()
{
 int ret = check_sys();
 if(ret == 1)
 {
 printf("小端\n");
 }
 else
 {
 printf("大端\n");
 }
 return 0;
}

注：由图可以知道VS是小端存储的，返回的是1则为小端。

2.3 练习

//1.
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a= -1;
    signed char b=-1;
    unsigned char c=-1;
    printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);
    return 0;
}

原、反、补的演示：

注：由代码可以知道，char a = -1转换成补码是全1，又因为是char类型所以需要发生截断.

signed char b = -1,这个与char a是一样的，所以将a和b进行%d 打印时需要整型提升，此时a和b是有符号位的，所以整型提升时补1.

而c是无符号位的，所以整型提升时补0.

//2.
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}

解释：

10000000000000000000000010000000 - a的原码
11111111111111111111111101111111 -a的反码
11111111111111111111111110000000 -128的补码
10000000 - a发生截断
11111111111111111111111110000000 -将a整型提升在进行无符号整型打印

则会打印很大的数出来

//3.
int i= -20;
unsigned  int  j = 10;
printf("%d\n", i+j); 
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数

3. 浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159

1E10

浮点数家族包括：float、double、long double类型。

浮点数表示的范围：float.h中定义

3.1 浮点数存储规则

num 和 *pFloat 在内存中明明是同一个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大？

要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。

详细解读：

根据国际标准 IEEE （电气和电子工程协会） 754 ，任意一个二进制浮点数 V 可以表示成下面的形式：

(-1)^S * M * 2^E
(-1)^S表示符号位，当S=0，V为正数；当S=1，V为负数。
M表示有效数字，大于等于1，小于2。
2^E表示指数位。

举例来说：

十进制的 5.0 ，写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2 。

那么，按照上面图片的格式，可以得出 S=0 ， M=1.01 ， E=2 。

十进制的 -5.0 ，写成二进制是 - 101.0 ，相当于 - 1.01×2^2 。那么， S=1 ， M=1.01 ， E=2 。

IEEE 754 规定：

对于 32 位的浮点数，最高的 1 位是符号位 s ，接着的 8 位是指数 E ，剩下的 23 位为有效数字 M 。

对于32位的浮点数
如图，浮点数的第一个格子是表示正负的，如果是正数则放置0，如果是负数则放置1.
而E是依次往后数的8个比特位
M是放置23个比特位的

对于64位的浮点数：

对于 64 位的浮点数，最高的 1 位是符号位S，接着的 11 位是指数 E ，剩下的 52 位为有效数字 M 。

IEEE 754 对有效数字 M 和指数 E ，还有一些特别规定。

前面说过， 1≤M<2 ，也就是说， M 可以写成 1.xxxxxx 的形式，其中 xxxxxx 表示小数部分。

IEEE 754 规定，在计算机内部保存 M 时，默认这个数的第一位总是 1 ，因此可以被舍去，只保存后面的 xxxxxx部分。比如保存 1.01 的时候，只保存01，等到读取的时候，再把第一位的 1 加上去。这样做的目的，是节省 1 位有效数字。以 32 位浮点数为例，留给M 只有 23 位，将第一位的1 舍去以后，等于可以保存 23 位有效数字。否则只能保存22位有效数字

至于指数 E ，情况就比较复杂。

首先， E 为一个无符号整数（ unsigned int ）

这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0~255；如果E为11位，它的取值范围为0~2047。但是，我们知道，科学计数法中的E是可以出现负数的，所以IEEE 754规定，存入内存时E的真实值必须再加上一个中间数，对于8位的E，这个中间数是127；对于11位的E，这个中间数是1023。比如，2^10的E是10，所以保存成32位浮点数时，必须保存成10+127=137，即

10001001。

注意：我们存入内存时是加上中间数，而从内存中取出来是减去中间数

然后，指数E从内存中取出还可以再分成三种情况：

E不全为0或不全为1

这时，浮点数就采用下面的规则表示，即指数E的计算值减去127（或1023），得到真实值，再将

有效数字M前加上第一位的1。

比如：

0.5（1/2）的二进制形式为0.1，由于规定正数部分必须为1，即将小数点右移1位，则为 1.0*2^(-1)，其阶码为-1+127=126，表示为 01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐0到23位00000000000000000000000，则其二进制表示形式为:

0 01111110 00000000000000000000000

E 全为 0

这时，浮点数的指数E等于1-127（或者1-1023）即为真实值，

有效数字M不再加上第一位的1，而是还原为0.xxxxxx的小数。这样做是为了表示±0，以及接近于

0的很小的数字。

E全为1

这时，如果有效数字M全为0，表示±无穷大（正负取决于符号位s）；

好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。

3.2 浮点数在内存中的存储的一个例子

int main()
{
 int n = 9;
 float *pFloat = (float *)&n;
 printf("n的值为：%d\n",n);
 printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat);
 *pFloat = 9.0;
 printf("num的值为：%d\n",n);
 printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat);
 return 0;
}

输出的结果是什么呢？如图所示

注：

1、有了上述的解释，我们就可以很好的了解这个输出答案。首先第一个输出的9很好理解，不做过多的解释。

2、而第二个输出则是将n的地址取出，然后赋给*pFloat。而9的是正数，原码、反码、补码相同

则9的补码位：0 00000000 00000000000000000001001.

这时将该数用%f来打印，则将它的补码以浮点数取出来。

则： 0 00000000 00000000000000000001001.由于E的位置为全0

则：有效数字M不再加上第一位的1，而是还原为0.xxxxxx的小数。这样做是为了表示±0，以及接近于0的很小的数字。所以打印如图所示

3、此时*pFloat是以浮点数的形式存入内存，那么是怎么存储的呢？

十进制的9 .0 ，写成二进制是 1001.0 ，相当于 1.001×2^3 。

那么，按照上面图片的格式，可以得出 S=0 ， M=1.001 ， E=3 。

所以存入内存的形式是：01000001000100000000000000000000

又因为*pFloat放的是n的地址，*pFloat修改则n也会因此改变，并且又以%d的形式打印

所以打印出来的是：1091567616

4、该数以浮点数打印也不做过多解释