C语言_数据的存储

深度剖析数据在内存中的存储

本章重点

• 数据类型详细介绍
• 整形在内存中的存储：原码、反码、补码
• 大小端字节序介绍及判断
• 浮点型在内存中的存储解析

1.数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：

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
//C语言有没有字符串类型？

以及他们所占存储空间的大小。

1.1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

2.类型的基本归类：

2.1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：
有符号char类型取值范围为-128~127
无符号char类型取值范围为0~255

2.2浮点数家族：

float
double

2.3构造类型：

> 数组类型
> 结构体类型 struct
> 枚举类型 enum
> 联合类型 union

2.4指针类型:

int *pi;
char *pc;
float* pf;
void* pv;

2.5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(无参）、指针类型

3.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。
补充：

数据在内存中以2进制的形式存储
对于整数来说：
整数二进制有3种表示形式：原码 反码 补码
正整数：原码 反码 补码相同
负整数：原码 反码 补码要进行计算的

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

比如：

int a = 20;
int b = -10

我们知道为 a 分配四个字节的空间。 那如何存储？
下来了解下面的概念:

3.1原码、反码、补码

计算机中的有符号数有三种表示方法，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”，而数值位三种表示方法各不相同

原码:

直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。

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了。(指的是1变0，0变1）

补码：

反码+1就得到补码。

正数的原、反、补码都相同。
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(指的是将补码返回原码时 可以不用减1再取反 而是可以取反再加1），其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

我们看看在内存中的存储：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？为什么是倒着存呢？

3.2大小端介绍

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。

注意：由上图可知int a=0x11223344 这里根据十六进制4为低位 从右往左逐渐变高
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8bit。但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32bit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果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.

做一个笔试题：

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(也就是说让机器来告诉我们是大端还是小端）

前提方法：


分析：这里1的存储为000000001，1表示最低位，如果存储方式为01 0000那么就是小端（因为地址是反着存的）因此可由前面第一个字节是不是为1来判断
代码一：

int check_sys()
{
		int a = 1;
		char* p = (char*)&a;//将int*强转为char*类型
		if (*p == 1)
		{
			return 1;
		}
		else
		{
			return 0;
		}
		return 0;
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

上述代码不够简洁，可以简写为：

int check_sys()
{
		int a = 1;
		char* p = (char*)&a;
		return *p;
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

3.3练习

题目1：

> //输出什么？
#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;
}

补充一个知识点：这里char类型用%d输出为什么要整型提升呢？

char类型的变量x在传递给printf函数时，会被整型提升为int类型。对于有符号char类型，其值范围通常是- 128 到 127，在提升为int类型时，符号位会被扩展。如果x的值是一个正数（例如’A’的 ASCII 码值是 65），那么高位会用0 填充；如果是一个负数，高位会用 1 填充。这样就将char类型的值转换为了一个合法的int类型的值，以便printf函数能够按照%d的要求正确地输出。
整型提升是 C 语言为了保证操作数类型一致性和函数参数正确传递等操作而进行的一种隐式类型转换，它有助于在不同数据类型之间进行统一的运算和处理。
注意： 输出的为原码！！！
注意：有符号高位补1 无符号高位补0

下面程序输出什么？
题目二：

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

这里%u表示打印无符号整型

题目三：

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

对此有人会问 char类型能放得下这么大数字吗？
下面我们来探究char的范围大小
由图可知：char的取值范围是-128~127
那说明上一题存128存不下 发生了截断 只存了部分进去！

题目四：

int main()
{
int i= -20; 
unsigned int j = 10; 
printf("%d\n", i+j); 
return 0;
}
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数

题目五：

int main()
{
unsigned int i; 
for(i = 9; i >= 0; i--) 
{ 
 printf("%u\n",i); 
}
return 0;
}

结果为死循环！
注意：主要看printf里面的打印形式，如果为%d，那么打印的结果i就是一个有符号整型，结果为死循环的负数。

题目六：

int main() 
{ 
 char a[1000]; 
 int i; 
 for(i=0; i<1000; i++) 
 { 
 a[i] = -1-i; 
 } 
 printf("%d",strlen(a)); 
 return 0; 
}

可以参考下面这张图：

题目七：

#include <stdio.h> 
unsigned char i = 0; 
int main() 
{ 
 for(i = 0;i<=255;i++) 
 { 
 printf("hello world\n"); 
 } 
 return 0; 
}

结果为死循环

综上易知：在循环中，定义一个无符号的整型（循环）变量，很容易造成死循环

4.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159 1E10(1.0*10的10次方） 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

浮点数存储的例子：

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; 
}

输出结果是什么呢？
解析如下：

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的s次方*M 乘2的E次方）
• (-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

举个例子：

• 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V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24位有效数字。(简单来说就是为了提高精度）。

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。

举个例子：

由此可知其存储方式，也有大小端存储，这里为大端存储。

然后，指数E从内存中取出还可以再分成三种情况
1.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

2.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=0-127=-127
2^-127为一个很小的数

3.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）；

解释前面的题目：
分析结果为什么是这样的？

下面，让我们回到一开始的问题：为什么 0x00000009 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？ 首先，将 0x00000009 拆分，得到第一位符号位s=0，后面8位的指数 E=00000000 ，最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 00001001。

9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

由于指数E全为0，所以符合上一节的第二种情况。因此，浮点数V就写成： V=(-1) ^ 0*0.00000000 0000 0000 0001001×2^(-126) =1.001×2 ^(-146) 显然，V是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000。

再看例题的第二部分。 请问浮点数9.0，如何用二进制表示？还原成十进制又是多少？ 首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，1.001×2^3。

9.0 -> 1001.0 ->(-1)^0*1.001*2^3 -> s=0, M=1.001,E=3+127=130

那么，第一位的符号位s=0，有效数字M等于001后面再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010。 所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位的二进制数，还原成十进制，正是 1091567616 。