C语言的数据存储详解

C语言数据存储

类型的基本归类

有无符号的意义：生活中有写数据是没有符号之分的，将最高位（即符号位）利用可以扩大范围

整形	包含类型	占用空间	备注
char	unsigned char	1Byte	字符的本质是ASCII值，是整形
	signed char	1Byte	不同于直接创建 int a时，a为signed
	char	1Byte	char 到底是signed 还是 unsigned 标准是未定义的，取决于编译器（VS下为signed）
short	unsigned short (int)	2Bytes
	(signed) short (int)	2Bytes
int	unsigned int	4Bytes
	(signed) int	4Bytes
long	unsigned long (int)	4/8Bytes	C语言在规定类型大小时，只规定了 sizeof(long) >= sizeof(int)
	(signed) long (int)	4/8Bytes	long 在x86为4，x64为8
long long	unsigned long long (int)	8Bytes	long long 为C99中引入
	(signed) long long (int)	8Bytes

浮点型	占用空间	备注
float	4Bytes	float 的精度低，存储范围小，double 精度高，范围大
double	8Bytes
long double	不定	长度可能会应编译器和平台的不同而产生差异，可能和 double 一样长，可能更长(8/12/16Bytes)

long double 在 C99 标准中被引入，用以表示更高精度的浮点数

构造类型
结构体类型	struct
枚举类型	enum
联合类型	union
数组类型	各类数组

以及不同类型所对应的指针类型、空类型（void）

空类型常用于函数的返回类型（表示无返回）、函数的参数（无需参数）等

类型的意义

• 不同的类型对应所开辟的内存空间大小不同（内存大小决定使用范围）
• 程序看待对应内存空间的视角（程序以何种规则读取）

以下程序用于验证整形和浮点型的存取规则不同

#include <stdio.h>

int main()
{
    int n = 9;//开辟4bytes
    float* pFloat = (float*)&n;//把n的地址放到pfloat里面，实际还是指向那整形的4bytes

    printf("n的值为：%d\n", n);//9
    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//0.000000
    //这里按照浮点的规则取出数据，结果错误，说明整形和浮点的存储方式不同

    *pFloat = 9.0;
    printf("num的值为：%d\n", n);//1，091，567,616
    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000
    return 0;
}

数据在内存中的存储

整形在内存中的存储

整形表示的范围在limits.h中定义（如果不用到上限和下限的话不用引）

程序中整形的二进制表示方式有三种，分别为原码、反码和补码

• 原码即为整数的二进制表示，对于有符号类型，最高位为符号位，0表示正数，1表示负数
• 正数的三码相同
• 负数的反码为原码按位取反（最高位不变），补码为反码加1

以7和-7为例（int）

整形	表示方式	数据
7	原码	00000000 00000000 00000000 00000111
	反码	00000000 00000000 00000000 00000111
	补码	00000000 00000000 00000000 00000111
-7	原码	10000000 00000000 00000000 00000111
	反码	11111111 11111111 11111111 11111000
	补码	11111111 11111111 11111111 11111001

在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。通过补码，可以将负数视为正数，将加法和减法统一处理（CPU只有加法器）此外，补码与原码相互转换（补码的补码即为原码），其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路

int main()
{
    int a = 20;
    //原、反、补：00000000 00000000 00000000 00010100
    //    十六进制      00       00       00       14  （0x 00 00 00 14）

    int b = -10;
    //最高位为符号位
    //原：10000000 00000000 00000000 00001010
    // 0x 80       00        00         0a
    //反：11111111 11111111 11111111 11110101
    // 0x ff        ff        ff         f5
    //补：11111111 11111111 11111111 11110110
    // 0x ff        ff        ff         f6
    //对补码取反：
    //      10000000 00000000 00000000 00001001
    // +1：
    //      10000000 00000000 00000000 00001010 得到原码

    //20-10 = 20 + （-10）
    int c = a + b;
    //00000000 00000000 00000000 00010100
    //11111111 11111111 11111111 11110110
    //相加得到一个补码：
    //（1）00000000 00000000 00000000 00001010 最高位被丢掉
    //0x 00 00 00 0a  (10)
    return 0;
}

大小端

大小端即计算机系统中两种不同的数据存储方式

大端存储模式 将数据的低位保存在内存中的高位地址，将数据的高位保存在低位地址

小端存储模式 将数据的低位保存在内存中的低位地址，将数据的高位保存在高位地址

由于数据长度、寄存器大小不同，且计算机的存储是以字节为单位的，这就导致了不同长短的数据和寄存器（如16位、32位）之间存在数据存放的顺序问题（即哪些数据放在高地址，哪些放在低地址），大小端存储模式就是为了解决这类问题

我们常用的X86（x64） 结构是小端模式

这里以上面这段简单的代码为例，以下分别位a，b在内存中的存储

实际上，数据存储的规则可以是多种的，只要保证存入和取出的方式相同即可

浮点型同样有大小端，但对一个字节的数据，没有顺序可谈

//判断当前环境是大端还是小端
#include <stdio.h>
int check()
{
    int i = 1;
    return (*(char*)&i);
    //将地址强制转为char*，即只读取最低位的数据
    //当为小端，得到1；当为大端，得到0
}
int main()
{
    int ret = check();
    if (ret == 1)
    {
        printf("小端\n");
    }
    else
    { 
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}

整形提升和截断

截断发生在数据存储时，整形提升发生在使用时

有关整形提升和截断的内容，详见另一篇博客

C语言对类型的转换-优快云博客

#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -1;
    //char 在VS下是有符号的

    // -1 是整形，为32位，要存入char，要发生截断
    //原：10000000 00000000 00000000 00000001
    //反：11111111 11111111 11111111 11111110
    //补：11111111 11111111 11111111 11111111
    //发生截断
    // a -- 11111111
    // %d 打印有符号整形，发生整形提升，对于有符号数，高位补1
    // 11111111 11111111 11111111 11111111 -- 补码
    // 10000000 00000000 00000000 00000000 -- 取反
    // 10000000 00000000 00000000 00000001 -- +1 得到原码
    // b的打印同理
    // 截断和大小端无关，相当于是从内存中拿出数据后再发生截断

    signed char b = -1;

    unsigned char c = -1;
    //原：10000000 00000000 00000000 00000000
    //反：11111111 11111111 11111111 11111110
    //补：11111111 11111111 11111111 11111111
    // c -- 11111111
    //无符号数高位补0
    // 00000000 00000000 00000000 11111111 --- 直接就是原码

    printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
    //VS环境下打印  a=-1,b=-1,c=255
    return 0;
}

浮点型在内存中的存储

根据国际标准IEEE（电气和电子工程协会） 754 （即IEEE二进制浮点数算术标准），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 — 符号位，当s=0，V为正数；当s=1，V为负数

M — 有效数字，大于等于1，小于2

2^E — 指数位

6.0的二进制表示就是 110.0

s=0，M=1.1，E=2

即为1.1×2^2

6.5就是110.1

s=0, M=1.101,E=2

即为1.101×2^2

浮点型的存储规则

float - 4bytes - 32 bit

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

double - 8bytes - 64bit

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

根据十进制转换二进制的计算规则（小数部分×2取整，得0为止）可知，当一个数的小数部分在多次乘法取整后仍不为0时，可能会将有效数字所占长度全部使用，后面的数据将无法存储。即浮点数存在丢失精度的情况

IEEE 754规定，在计算机内部保存M时，默认的第一位总是1，因此可以被舍去，只保存后面的小数部分（即保留24/53位有效数字），由此可以提高精度

E为一个无符号整数（unsigned int），当8为8位时，其范围为0~255，而科学计数法中的指数可以存在负数，因此IEEE 754规定，存入内存时E的真实值必须再加上一个中间数，即加上127/1023

E的不同情况

• E不全为0或不全为1

  此时，E的真实值计算即为（E-中间值）

• E全为0

  E+127 = 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

  E + 127 = 255

  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）即 1.xxxxxx * 2^128

---

运用

利用这些规则，分析上面的代码

#include <stdio.h>

int main()
{
    int n = 9;
    //00000000 00000000 00000000 00001001
    //0 00000000 00000000000000000001001
    //s=0 E=00000000

    float* pFloat = (float*)&n;

    printf("n的值为：%d\n", n);//9
    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//0.000000
    //0 00000000 0000000000 0000000001 001
    //s=0 E=00000000
    //一个接近0的很小的数


    *pFloat = 9.0;
    //9.0 --- 1001.0
    //s=0 E=3 --- 00000011
    // 3 + 127 = 130 --- 1000 0010
    //0 10000010 0010000000 0000000000 000
    printf("num的值为：%d\n", n);//1，091，567,616

    //01000001 00010000 00000000 00000000
    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000
    return 0;
}