C中char和float在内存中的储存方式_VS_C_17/11/15

本文解析了C语言中char和float类型数据在内存中的储存方式。char类型占用8比特,采用补码形式储存;float类型占用32比特,遵循IEEE标准,由符号位、指数位和尾数位组成。

我们要想了解基本数据类型在内存中的储存方式就必须先要知道这些数据类型在内存在所占的字节数,但c的标准中并没有对此具体规定。而且这个也与操作系统和编译器有关,比如同样是int类型的数据在不同的编译器中有4和2两种字节储存方式。
虽然没有具体规定,但其有一定的原则:
sizeof(short int)<=sizeof(int)
sizeof(int)<=sizeof(long int)
short int至少应为16位(2字节)
long int至少应为32位。
下表给出了基本类型在不同位数编译器下的基本数据类型所占字节数:

这里写图片 述

在知道了基本数据类型在内存中所占字节数之后我们就可以开始分析它们在内存的储存方式了(原码,补码,反码)
* 这里只给出char类型和float类型的储存方式 *
首先来看char类型:
我们通过上表知道char数据在内存中占一个字节(8bit)。
我们知道计算机是用二进制码来储存数据的,而且计算机并没有负0的概念。所以计算机的负数都是用补码来表示的。反码就是对原数绝对值取反。补码就是反码加一。
char与其他类型不同的是其默认的标准是signed
char在内存中只占8bit。所以char的存储方式如下:
在无符号时且八位全是1的时候:1111 1111即最大值为255
在有符号时且八位为0111 1111即最大值为127 1000 0000时为-128
所以范围为-128····127
具体如下图:
这里写图片描述
再来看float类型:
上表给出了float数据在内存中占4个字节(32bit)。
float类型又叫浮点类型,浮点数在计算机中依然按照二进制码存储,但与int等整数类型不同,float在计算机中分两部分存储。分别是底数(e)和指数(m)。
±m× 2e
底数m :使用23bit 的2进制数来表示
指数e :使用8bit的2进制数来表示
符号s :1bit的二进制数。1为负数,0为正数
根据IEEE规定其运算规则如下:(32位)

这里写图片描述

例如19.25 换算成float类型:
1.先化为二进制:0001 0011.01
2.再将二进制写为:1.001101*2的4次方(小数点左移一位相当于原数除以2)
因为小数点前必为1,所以IEEE规定只记录小数点后的数,即底数为001101。
3.上数为 底数*2的4次方,所以指数部分e=4,加上127后为131,二进制数为10000011
4.符号位s,由于为正数,s=0;
所以19.25的float的格式为
0 100 0001 1001 1010 0000 0000 0000 0000
它的16进制数为
0x 4 1 9 A 0 0 0 0
下面是VS中用内存显示的19.25在内存中的储存数。可以看到使用的是小端模式存储。
这里写图片描述

在C语言中,`float` 类型的浮点数在内存中的存储遵循 IEEE 754 标准,该标准定义了浮点数的格式以及如何进行浮点运算[^3]。IEEE 754 标准规定了单精度(32位)浮点数双精度(64位)浮点数的存储格式。`float` 类型通常使用单精度格式[^4]。 ### IEEE 754 单精度浮点数格式 IEEE 754 单精度浮点数占用 32 位(4 字节),其存储格式分为三个部分: 1. **符号位**(1 位):表示浮点数的正负,0 表示正数,1 表示负数。 2. **指数部分**(8 位):表示浮点数的指数部分,采用偏移表示法(Bias),偏移值为 127。 3. **尾数部分**(23 位):表示浮点数的有效数字部分,存储的是小数部分,而不是完整的有效数字。 浮点数的实际值可以通过以下公式计算: $$ \text{Value} = (-1)^{\text{符号位}} \times 1.\text{尾数部分} \times 2^{(\text{指数部分} - 127)} $$ ### 示例解析 以下代码展示了如何查看 `float` 类型数据在内存中的存储形式: ```c #include <stdio.h> #include <math.h> union stu { int i; char c; float f; } a; int main() { a.i = 97; // 将整数 97 赋值给联合体中的 int 成员 printf("Integer value: %d\n", a.i); printf("Char value: %c\n", a.c); printf("Float value: %.100f\n", a.f); // 查看 float 成员在内存中的存储形式 printf("Calculated float value: %.100f\n", pow(2, -126) * (pow(2, -17) + pow(2, -18) + pow(2, -23))); return 0; } ``` 在这段代码中,`a.i = 97;` 将整数 97 赋值给联合体中的 `int` 成员,而通过 `a.f` 可以查看 `float` 类型在内存中的存储形式。输出的结果显示了浮点数在内存中的二进制表示[^4]。 ### 字节顺序的影响 `float` 类型的存储顺序会受到系统架构的影响。在大端(Big-Endian)系统中,最高有效字节存储在最低的内存地址,而在小端(Little-Endian)系统中,最低有效字节存储在最低的内存地址。例如,浮点数 `0x12345678` 在大端系统中存储为 `12 34 56 78`,而在小端系统中存储为 `78 56 34 12`[^2]。 ### 内存对齐与存储 在 C 语言中,`float` 类型的存储还需要遵循内存对齐规则。通常情况下,`float` 占用 4 字节,因此它会从 4 的倍数地址开始存储,以提高内存访问效率[^2]。 ### 浮点数的精度问题 由于 IEEE 754 标准的限制,`float` 类型在存储计算过程中可能会出现精度问题。例如,某些十进制小数无法精确表示为二进制浮点数,这会导致计算结果出现微小误差。为了避免这些问题,可以使用更高精度的 `double` 类型,或者在需要精确计算的场景中使用定点数或十进制库[^3]。
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