【C语言】深度剖析数据在内存中的存储_数据空间概念c语言-优快云博客

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文章详细探讨了数据在内存中的存储方式，包括不同类型如整型、浮点型的数据所占空间，以及原码、反码、补码的概念。介绍了大小端存储模式，并通过示例代码展示了如何判断系统字节序。此外，还深入讲解了IEEE754标准下的浮点数存储规则。

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深度剖析数据在内存中的存储

一、数据类型的基本归类
二、整形在内存中的存储
三、浮点型在内存中的存储
- 浮点数存储规则
- 例题

一、数据类型的基本归类

1. 整形家族：

整型家族的类型的取值范围：limits.h

字符数据类型:char
短整型:short (int)
整型:int
长整型long (int)
更长的整型：long long (int)

()中可省略

2.浮点数家族：

单精度浮点数: float
双精度浮点数:double

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

4.指针类型:

int *pi
char *pc
float *pf
void *pv等

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、指针类型。

二、整形在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。

2.1各类型分配的空间：

在 VS 下各类型分配的空间：
在这里插入图片描述

在x86环境下，指针都是4个字节的；而在x64环境下，指针都是8字节的。测试代码如下:

既然我们已经知道各数据所分配的空间大小，那么数据在所开辟内存中到底是如何存储的呢？
这里就涉及到三个概念：原码、反码，补码。

2.2原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法，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 正数的原、反、补码都相同。负整数的三种表示方法各不相同。

原码
直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。
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反码。
补码
反码+1就得到补码。
【ps】
补码变原码，既可以-1再按位取反，也可以按位取反再+1。

整数翻译为二进制：除以2取余。
eg.
6/2=3……0 3/2=1……1 1/2=0……1
故6的二进制为110，前面补0，为00000000000000000000000000000110
负数同理，符号位为1，比如-8的二进制为
10000000000000000000000000001000
这是原码！！！

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

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，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。
eg. 1-1=1+(-1)
拿char类型举例：
1的原、反、补相同：00000001
-1的原码：10000001
-1的反码：111111110
-1的补码：111111111
补码相加减：00000000（进的一位超出了范围，拿掉，int同理）

在这里插入图片描述

可以看到数据在内存中是以补码形式存储的，但顺序却是颠倒的，这是为什么呢？

2.3大小端介绍

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。

用一段代码来判断当前机器的字节序：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
	int i = 1;
	return (*(char*)&i);
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

三、浮点型在内存中的存储

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

常见浮点数：
3.1415926
1E10（科学计数法）=1.0*10^10；

浮点数存储规则

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
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。

浮点数转化为二进制包括小数点前数据的转化和小数点后数据的转化
整数部分除2取余，小数部分乘2取整

eg1. V=5.5
5的二进制为101
0.5*2=1，二进制为1
故为：101.1，用科学计数法表示为1.011*2²
V=(-1)⁰*1.011*2²
所以：S = 0 ; M = 1.011 ; E = 2(实际上，E存放的是2+127或1023，M存放的是011，下面有讲）

IEEE 754规定：
对于32位的浮点数(float)，最高的1位是符号位，接着的8位是指数E，剩下的23位为有效数字M。
在这里插入图片描述

对于64位的浮点数(double)，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。
在这里插入图片描述
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。

故例1:
5.5的M=011

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）
但是，科学计数法中的E是可以出现负数的(比如0.5=1.0*2^-1,E=-1)，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。

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）。

例题

学到这里，不妨做一道题目：

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：
在这里插入图片描述
解释：
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 0000 1001。

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 × 0.00000000000000000001001×2^(-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。
再看题目的第二部分:
首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2³。
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。