深度剖析数据在内存中的存储

深度剖析数据在内存中的存储

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本章重点

💛 数据类型详细介绍
💜 整形在内存中的存储：原码、反码、补码
💙 大小端字节序介绍及判断
❤️ 浮点型在内存中的存储解析

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1.📘数据类型介绍

char        //字符型 -占1个字节
short       //短整型 -占2个字节
int         //整形 - 占4个字节
long        //长整形 -占4/8个字节
long long   //更长的整形 -占4个字节
float       //单精度浮点型 -占4个字节
double      //双精度浮点型 -占8个字节

类型的意义

1. 使用这个类型开辟空间的大小（大小决定了适用范围）
2. 如何看待内存空间的视角（列入指针解引用和指针运算）

1.1 📒类型的基本归类

❄️整形家族

• char型
  unsigned char （范围：0-255）
  signed char（范围：-128-127）
• short型 (默认是signed)
  unsigned short [int]（范围）
  signed short [int]
• int型 (默认是signed)
  unsigned int
  signed int
• long型 (默认是signed)
  unsigned long [int]
  signed long [int]
  ❗️❗️❗️对于short，int，long，long long数据在进行定义时，默认都为signed。而对于char类型则不确定，C语言标准没有规定char是否有符号，取决于编译器，所以char实际上可以归为3类，char(不确定)，signed char(有符号)，unsigned char(无符号)。在vs2019中，char默认为signed char。

❄️浮点数家族

• float
• double

❄️构造类型

• 数组类型
• 结构体类型（struct）
• 枚举类型（enum）
• 联合类型（union）

❄️指针类型

• int* pa;
• char* pb;
• float* pc;
• void* pv;

❄️空类型

void通常表示空类型
通常用于函数的返回类型，函数的参数，指针类型

void test1()//无返回值
{}
void test2(void)//函数参数为空
{}
int main()
{
void* p =NULL;//一般用来临时存放各种类型的指针,这里就存放空指针好了
int a  = 10;
void p1 = &a;
/*
p1++与*p1都是不合法的，不知道指针指向的数据的类型，无法确
定跳过的字节个数和解引用的权限，一般用来临时存放各种类型的指针
用的时候拿走或者强制类型转换就行

*/

1.2 📒有无符号的char类型的取值范围

💡💡💡细心的宝子可能会发现，哎我这个signed char是不是关于-128对称的啊，我们可以这样理解

2.📘整形在内存中的存储

整形类型表示的范围：limits.h中定义

2.1 📒原码、反码、补码

🌊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。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
😕😕😕为什么呢？😕😕😕

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。

💡💡💡举个例子来深入理解一下

#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 20;
	int b = -10;
	int c = a+b;
	printf("%d",c);
	return 0;
}

🙋c最后的结果是10
💻那么在二进制的计算机中10究竟是怎么来的呢？我们启动调试，查看变量在计算机中的内存

💫细心的宝子们会发现。在内存中a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。这是又为什么？

2.2📒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。

🌊为什么会有大小端呢

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8 bit。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。

😎😎😎细心的的宝子又会发现，在上面用vs写的程序中，数据的字节序不就是小端存储模式吗？那么如何写一个程序来判断当前机器的字节序呢？

😕😕😕那么我们怎样得到低位置的第一个字节呢？

很自然的，我们想到了截断！！！

💝方法一：通过把int类型数据的地址强制转换为char指针再解引用

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
int check_sys()
{
	int i = 1;
	return *(char* (&i));//将1的地址取出来赋给char类型的指针，最后解引用就得到了想要的值
	//char* p = (char*)&i;
	//return *p;
}

int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

运行结果：

😇😇😇可以看到：vs的字节序果然就是小端类型的呢！！！
💝 方法二：通过union共用体

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

运行结果：

2.3 📒练习

1.
//输出什么
#include<stdio.h>
int main()
{
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("a=%d,b=%d，c=%d",a,b,c);
	return 0;
}

char a = -1;//-1截断后存储到a中

1000000 0000000 00000000 00000001 -1原码
11111111 11111111 11111111 11111110 -1反码
11111111 11111111 11111111 11111111 -1补码
1111 1111(a补码)
整形提升：11111111 11111111 11111111 11111111
反码：11111111 11111111 11111111 11111110
原码：1000000 00000000 00000000 00000001->(二进制的-1)

signed char b = -1;//同理

unsigned char c = -1;

1000000 0000000 00000000 00000001 -1原码
11111111 11111111 11111111 11111110 -1反码
11111111 11111111 11111111 11111111 -1补码
1111 1111(c补码)
整形提升：00000000 0000000 00000000 11111111(补码)
原码：00000000 0000000 00000000 11111111->(二进制的255)

运行结果：

💫💫💫

可以很清楚的看到-1存储在char类型和unsigned char 类型中时补码都是相同的，影响最后结果的差异的，是整形提升往高位补的数

说到这里我又不免会提醒一下关于整形提升

• signed型的，高位补符号位
• unsigned型的，高位补0

2
//输出什么
#include<stdio.h>
int main()
{
	char a = -128;
	printf("%u\n",a);
	return 0;
}

char a = -128;

10000000 00000000 00000000 10000000 -128原码
11111111 111111111 11111111 011111111 -128反码
11111111 111111111 11111111 10000000 -128补码
截断：1000 0000 （a中存储的数据）

printf(“%u\n”,a)

%u打印无符号整数
整形提升：/1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000（补码）
由于无符号位，全为数值位

运行结果：

3
//输出结果为？
#include<stdio.h>
int main()
{
	char a = 128;
	printf("%u",a);
	return 0;
}

char a = 128;

00000000 00000000 00000000 10000000 128原反补码
截断 1000 0000 (a中存储的数据)

printf(“%u”,a);

整形提升：11111111 11111111 11111111 10000000(补码)
打印无符号整数:4294967168

4.
//按照补码形式进行运算，最后格式化为有符号整数
int i = -20;
unsigned int j = 10;
printf("%d\n",i+j);

int i = -20;

10000000 00000000 00000000 00010100 -20原码
11111111 11111111 11111111 11101011 -20反码
11111111 11111111 11111111 11101100 -20补码

unsigned int j = 10;

00000000 00000000 00000000 00001010 10原反补码

printf(“%d\n”,i+j);

i+j即为
11111111 11111111 11111111 11101100（i补码）

00000000 00000000 00000000 00001010 （j补码）

11111111 11111111 11111111 11110110（补码）
打印有符号整形
10000000 00000000 00000000 00001010（原码）
对应十进制10

运行结果：

4
#include<stdio.h>
#include<windows.h>
int main()
{
	unsigned int i;
	for(i = 9;i>=0;i--)
	{
		printf("%u\n",i);
		Sleep(1000);//程序停止1000ms，观察值
	}
}

unsigned int i；//恒大于0
for(i = 9;i>=0;i–)
{
printf("%u ",i);
}
理论上9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1……
-1的补码：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
按无符号数输出，全为数值为，最后得到的值很大
实际上9 ~ 0 ~ 超大的值：-1的补码组成的循环
运行结果：

6.
#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
	char a[1000];
	int i;
	for(i = 0;i<1000;i++)
	{
		a[i] = -1-i;
	}
	printf("%d",strlen(a));
}

char默认signed取值范围-128 ~ 127
当a[i]的值小于-128时，会从127开始依次减小（在下图中也就是在-128那点然后逆时针旋转）
当a[i]=0时，‘\0’的ascii码值为0，当strlen进行计算时，计算第一个’\0’前的字符个数
数组中元素：-1 , -2 , … ,-128 , 127, …, 1, 0…
"\0"前面有255个字符

运行结果：

7.
//输出结果为？
#include<stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
	int i = 0;
	for(i = 0;i<=255;i++)
	{
		printf("hello world!\n");
	}
	return 0;
}

unsigned char 范围0~255，循环条件恒为真，程序死循环

3. 📘浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159
1E10
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

3.1 📒一个例子

浮点数存储的例子：

#include<stdio.h>
unsigned char i = 0;
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;
}

😧😧😧可以看到，最后的结果可能与我们的想象有一点出入，说明float的存储方式和int的不一样！！！那么让我们来了解浮点型在内存中的存储吧！！

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:
0 011111110 00000000000000000000000

💟 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

💟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）；

好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。
解释前面的题目：
下面，让我们回到一开始的问题：为什么0x00000009还原成浮点数，就成了0.000000？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。

再看例题的第二部分。

请问浮点数9.0，如何用二进制表示？还原成十进制又是多少？

首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。

9.0–>1001.0–>(-1)^0 *1.001 * 2^3–>S = 0, M=1.001,E=3+127=130

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。

所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位的二进制数，还原成十进制，正是1091567616。

4.📘小结

以上就是数据在内存中的存储，我是Maria，来自重庆，是计算机科学与技术大二的一名学生，我最近正在自学web，有过python学习经验，了解一点嵌入式，玩过51单片机，同时对ctf很感兴趣。希望能够坚持学习

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有些事不是看到了希望才去坚持，而是因为坚持才会看到希望

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