数据在内存中的存储

一. 数据类型

//整型：
char
    unsigned char
    signed char
short
    unsigned short [int]
    signed short [int]
int
    unsigned int
    signed int
long
    unsigned long [int]
    signed long [int]

//浮点型：
float
double
long double

//构造类型：
数组类型  int [10]
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

//指针类型

//空类型
void表示空类型
通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型。

二. 整型在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。而空间的大小根据不同的类型而决定。

1.原码、反码、补码

计算机中的符号数有原码、反码、补码三种方式。这三种均有符号位和数值位。

原码：直接将二进制按照正负的形式翻译成二进制。

反码：原码的符号位不变，其他位依次按位取反。

补码：反码+1

正数的原码、反码、补码都相同。

２.采用补码的原因

在计算机系统中，数值一律用补码来表示和储存。使用补码，可以将符号位和数值位统一处理。同时，加法和减法也可以统一处理（CPU只有加法器）。此外，原码和补码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

三. 大小端

1.什么是大小端

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。

2.存在大小端的原因

在计算机系统中，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。但在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32bit的long型（看具体的编译器）。另外，对于位数大于8位的处理器，由于寄存器宽度大于一个字节，必然存在一个处理多个字节的问题。因此就导致了大小端的存储模式。

eg1：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 a = 1;
       return *(char *)&a;
//大端返回0，小端返回1
}
int main()
{
       int ret = check_sys();
       if (ret == 1)
              printf("小端\n");
       else
              printf("大端\n");
       return 0;
}

//方法二
#include<stdio.h>
int check_sys()
{
       union Un
       {
              int i;
              char c;
       }un;
       un.i = 1;
       return un.c;
//大端返回0，小端返回1
}
int main()
{
       int ret = check_sys();
       if (ret == 1)
              printf("小端\n");
       else
              printf("大端\n");
       return 0;
}

四. 浮点型在内存中的存储

#include<stdio.h>
int main()
{
       int n = 9;  
       float *pFloat = (float *)&n;  
       printf("n的值为：%d\n", n);  //9
       printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//0.000000（浮点数的存储方式不同）
       *pFloat = 9.0；
       printf("num的值为：%d\n", n);//1091567616
       printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000
       return 0;
}

根据国际标准IEEE754，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时，V为正数，当S=1时，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。

例如，十进制的5.0，写为二进制是101.0，相当于1.01*2^2。那么S=0，M=1.01，E=2。 

 

IEEE754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。

 

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IEEE754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。

 

指数E从内存中取出分为以下三种：

（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。

（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）。

五. C/C++程序内存的分配

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：

1、栈区（stack）

    由编译器自动分配释放 ，存放为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作方式类似于数据结构中的栈。 　　

2、堆区（heap）

    一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。

3、全局区（静态区）（static）

    存放全局变量、静态数据、常量。程序结束后由系统释放。 　

4、文字常量区

    常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放。

5、程序代码区

    存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

 

内存分配方式有三种：

1.从静态存储区域分配

    内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。

2.在栈上创建

    在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

3.在堆上分配

    亦称动态内存分配。 程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。 动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏， 频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内存碎块。

六. const与volatile

#include <stdio.h> 
int main() 
{    
    const int n = 10;    
    int *p = (int *)&n;   
    *p = 20;    
    printf("%d\n", n);   //10
    return 0; 
}

编译器在编译期间，可能对代码进行优化。 当编译器看到这里的num被const修饰，从语义上讲这里的num是不期望被改变的，那优化的时候就可以把num的值存放到寄存器（以提高访问的效率）中。以后只要使用 num的地方都去寄存器中取，那即使num对应的内存中的值发生变化，寄存器也是感知不到的。所以造成输出10的结果。

#include <stdio.h> 
int main() 
{    // 使⽤用 volatile 关键字对 num 修饰。    
    volatile const int n = 10;    
    int *p = (int *)&n;    
    *p = 20;    
    printf("%d\n", n);   //20 
    return 0; 
}

volatile的作用：编译时不优化，执行时不缓存，每次需从内存中读出（保证内存的可见性）。

变量的初始化：

    如果不显示的初始化，静态变量的初始化为0， ⽽自动变量是不做任何初始化的，是随机值。

七. static总结

1. 当它作用于函数定义时，或者用于代码块之外的变量声明时，static关键字用于修改标示符的链接属性。外部链接属性变为内部链接属性，标识符的存储类型和作用域不受影响。也就是说变量或者函数只能在当前源文件中访问。不能在其他源文件中访问。 

2. 当它⽤用于代码块内部的变量声明时，static关键字用于修改变量的存储类型。从自动变量变为静态变量。变量的属性和作用域不受影响。

变量类型	声明位置	是否存储于堆栈	作用域	如果声明为static
全局变量	所有代码块之外	是	从申明到文件尾	不允许从其他文件访问
局部变量	代码块起始处	是	整个代码块	变量不存储于堆栈中，他的值在整个程序的执行期一直保持
形式参数	函数头部	是	整个函数	不允许