数据在内存中的存储 - C语言

数据在内存中的存储 - C语言

为了能够更好地理解C语言代码，我们决定剖析一下数据在内存中的存储。

大端存储和小端存储

首先我们要理解一下什么是大端存储和小端存储以及为什么会有大端和小端存储模式。

大端存储

大端存储模式：指数据的低权值位储存在内存的高地址，数据的高权值位储存在内存的低地址。

小端存储

小端存储模式：指数据的低权值位储存在内存的低地址，数据的高权值位储存在内存的高地址。

为什么有大端和小端

为什么会有大端存储和小端存储这两种模式呢？
原因是在计算机系统中，一个地址单元对应一个字节，一个字节等于8个bit，而在C语言内置的数据类型中，只有char类型是8个bit的。对于大于8个bit的数据类型，存储时就必然存在哪个地址单元存放数据的哪些权值位的问题，也就是如何将多个字节安排的问题。

示例

示例：

如何判断当前机器是大端存储还是小端存储呢？

这里我们通过这个代码实现：

#include <stdio.h>
int check_sys()
{
    int i = 1;
    return (*(char *)&i);//将i的地址取出来，强制类型转换成(char*)类型，再进行解引用操作
}
int main()
{
    int ret = check_sys();
    if(ret == 1)
    {
        printf("小端\n");
    }
    else
    {
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}

了解了大小端存储之后，我们就要研究一下数据在内存中的存储方式，这里只研究了整型和浮点型两类数据类型。

整型在内存中的存储

首先我们要知道数据在内存中是以二进制的形式存储的，而整数的二进制表示形式有3种，即原码、反码、补码，三种表示形式均有符号位和数值位两部分，最高位即符号位，用0表示“正”，用1表示“负”，在内存中，整数以补码的形式存放。

正整数和负整数的存储区别

正整数

对于正整数来说，原码、反码、补码均相同。

负整数

对于负整数来说，三种表示方式各不相同。
原码： 直接将负整数翻译成二进制即可。
反码：符号位不变，其余位按位取反。
补码：反码+1，就是补码。

那么，为什么在内存中要存放补码呢？

想出补码的人一定是个天才，至今我还未搞懂大牛是如何想出的，但是不影响补码的使用有以下几个优点。
1.使用补码，可以将符号位和数值域统一处理。
2.加法和减法也可以统一处理（CPU只有加法器）。
3.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。
搞清楚整型在内存中的存储模式之后，我们就来看看浮点型在内存中是如何存储的。

浮点型在内存中的存储

在C语言中，浮点型的存储采用的是国际标准IEEE（电气和电子工程协会） 754。
这个标准规定，任何一个二进制浮点数V都可以表示成下面的形式：

float类型

float类型一共有32个bit位。
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。

double类型

double类型一共有64个bit位。
IEEE 754规定：
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。

M和E的特殊规定

IEEE 754对有效数字M和指数E，还有一些特殊规定。

M

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，即只保留小数部分。
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。

E

至于指数E，情况就比较复杂。

存入

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，E必须保存成10+127=137，即10001001。

取出

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

E不全为0或不全为1：
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，由于规定整数部分必须为1，即将小数点右移1位，则为1.0 * 2^(-1)，E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

E全为0

E全为0：
浮点数的指数E等于1-127（8bit位）或者1-1023（64bit位）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全为1：
E全为1，表示±无穷大（正负取决于符号位S）。

关于数据在内存中的存储我们就了解到这里，你学会了吗！