C语言数据的存储

最新推荐文章于 2023-06-14 00:47:14 发布

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本文深入探讨了数据类型的细节，包括基本的内置类型、整形和浮点型在内存中的存储方式。介绍了原码、反码和补码的概念，以及大小端存储模式。文章通过实例解释了不同数据类型如何在内存中表示，并分析了浮点数的IEEE 754标准。此外，还提供了判断机器字节序的小程序。

1. 数据类型详细介绍：

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:1字节 short:2字节 int、long、float均4字节 double、long long均8字节

当然还有一种数据类型，平时用到相对较少：但是可以装X ------>_Bool类型

_Bool类型是专门用来判断真假的，平时的C语言中我们用0表示假，非0表示真，如例：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int flag = 0;
	if (flag)
	{

	}

	return 0;
}

C99 中引入了布尔类型

#include<stdio.h>
#include<stdbool.h>
int main()
{
	_Bool flag = true;
	if (flag)
	{
		printf("hehe\n");
	}
	return 0;
}

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：

#include<stdio.h>
int main()
{
	//int num = 10;
	//printf("%d\n", num);  // 10
	//num = -10;
	//printf("%d\n", num);  // -10
	unsigned int num = 10;
	printf("%d\n", num);  // 10
	num = -10;
	printf("%d\n", num);  // -10
	printf("%u\n", num);  // 
	return 0;
}

浮点数家族：

构造类型：（也叫自定义类型）

指针类型：

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。

#include<stdio.h>
void test(void)
{
	void* p;
}
int main()
{
	return 0;
}

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？比如：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int b = -10;
	return 0;
}

当我们调试时：

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：

2.1 原码，反码，补码

整数的二进制表示有3种表示形式：原码----反码----补码
而内存存储的是二进制的补码！
整数:正数 / 负数
正数：原码反码补码相同
负数：原码：按照一个数的正，负直接写出来的二进制就是原码
反码：符号位不变，其他位按位取反
补码：反码的二进制序列+1，就是补码
符号位为0，正数，为1，负数
15：
00000000000000000000000000001111 ----->原码-反码-补码最高位为符号位0，正数
-15:
//10000000000000000000000000001111 ----->原码
//11111111111111111111111111110000 ----->反码
//11111111111111111111111111110001 ----->补码

10
00000000000000000000000000001010 原码反码补码相同
4个二进制转化为一个16进制
0 0 0 0 0 0 0 1
-10
10000000000000000000000000001010 原码
11111111111111111111111111110101 反码
11111111111111111111111111110110 补码
4个二进制转化为一个16进制
f f f f f f f 6

为什么内存存储的是二进制的补码呢
计算机只有加法器
如 1+(-1)=0
若采用原码相加：
00000000000000000000000000000001 1的原码
10000000000000000000000000000001 -1的原码
--------------------------------- 相加
10000000000000000000000000000010 ----> -2 err
若采用补码相加：
00000000000000000000000000000001 1的补码
11111111111111111111111111111111 -1的补码
--------------------------------- 相加
100000000000000000000000000000000 ----> 0 right
原码到补码，补码到补码：
1
法一：
10000000000000000000000000000001 原码
取反
11111111111111111111111111111110 反码
加1
11111111111111111111111111111111 补码
减1
11111111111111111111111111111110 反码
取反
10000000000000000000000000000001 原码
法二：
10000000000000000000000000000001 原码
取反
11111111111111111111111111111110 反码
加1
11111111111111111111111111111111 补码
取反
10000000000000000000000000000000
加1
10000000000000000000000000000001 原码
综上所述：
原码取反+1得到补码，补码再取反+1得到原码

2.2 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。

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。

百度2015年系统工程师笔试题：

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。（10分）

法一：

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

法二：

#include<stdio.h>
int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;
	//if (1 == *p)
	//{
	//	return 1;  //小端
	//}
	//else
	//{
	//	return 0;  //大端
	//}
	return*p;  //优化
	return *(char*)&a;//再次优化
}
int main()
{
	int ret = check_sys();  //返回1是小端，返回0是大端
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}
// 小端

3. 浮点型在内存中的存储

3.1 例题

#include<stdio.h>
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;
}

3.2 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。

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。

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:

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）；

//解析前面那道题目的原因：

printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat); //0.000000

00000000000000000000000000001001 ---> 9的原码反码补码
pfloat存放的是n的地址
在通过以%f的形式打印时，其认为最左边的0就是符号位，即S，后8个0就是E，最后的23位是M
E为全0，E的真实值是1-127=-126
2^-126
有效位： 0.00000000000000000001001
(-1)^0*0.00000000000000000001001*2^-126
算出来的结果只能保存6位有效数字，由于数值特别小，所以结果为0.000000

printf("num的值为：%d\n", n); //1091567616

9.0 --->十进制
1001.0 --->2进制
1.001*2^3 --->科学计数法
S=0
M=1.001
E=3
E在存进去要加上127即为130，转换成二进制即为10000010
0100 0001 0001 0000 0000 0000 0000 0000
将上述二进制位用十六进制表示为：
4 1 1 0 0 0 0 0
小端排列
01000001000100000000000000000000
因为是以%d的形式打印出来，上述二进制数是正数，换成10进制表示为1091567616

// 浮点型存储纯属练内功