C语言-数据存储（深度解析）

1. 数据类型介绍

通过前面的学习，我们基本了解了内置类型，内置类型主要有这一些：🌟🌟

//char        //字符数据类型    1字节  8比特位
//short       //短整型         2字节  16比特位
//int         //整形           4字节  32比特位
//long        //长整型         4字节  32比特位
//long long   //更长的整形      8字节  64比特位
//float       //单精度浮点数    4字节  32比特位
//double      //双精度浮点数    8字节  64比特位

我们在创建一个变量或者常量时，必须要指定出相应的数据类型，否则电脑无法给变量分配内存空间。

类型的意义：🍀🍀🍀

1. 使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）。

2. 如何看待内存空间的视角

1.1 类型的基本归类：

整形家族：🌻🌻

//字符型：char
//unsigned char
//signed char
// 
//短整型：short
//unsigned short[int]
//signed short[int]
// 
//整形：int
//unsigned int
//signed int
// 
//长整型：long
//unsigned long[int]
//signed long[int]

这里的unsigned是指无符号，比如我们身高，体重，年龄，这些都是无符号的，都是没有负数的.

eg: unsigned int就是无符号整形，在上面我们介绍了int是32个比特位

比如：11111111 11111111 11111111 11111111这里的所有的1都是数字位，最高位的1也不是符号位，简单理解就是unsigned一定是整数，没有负数这一概念。

还有一点就是，有些同学认为char怎么会是整形，这是因为char的本质是ASCII码值，对应的是int型，对应整形。

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* pi;
//char* pc;
//float* pf;
//void* pv;

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

//第一个void 表示函数不会返回值
//第二个void 表示函数不需要传任何参数
//
//void test(void)
//{
//}
//
//无具体类型的指针：void* p;

2. 整形在内存中的存储：👇

上面内容讲了一个变量的创建是要在内存中开辟一个新的空间。空间的大小是根据不同的类型而决定的。

那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

下面我们举一个典例：

eg：

int a = 20;
int b = -10;

通过上面的介绍我们知道整形有4个字节，那么其在内存中是如何存储的呢？

首先，我们先来了解下面这部分知识的概念：

2.1 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，补码。

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。

对于正数来说，它的原反补码都是一样的：

eg: 2的源码反码补码都是00000000 00000000 00000000 00000010

但是对于负数来说它的源码，反码，补码是各不相同的：

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

反码加一就得到补码。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

这时，我相信大家和我一样都会有个疑问，为什么内存中存放的都是补码呢？源码，反码不行嘛？

原因如下：

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（在源码反码中符号位是不能改变的）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，补码与源码相互转换，其运算过程

是相同的，不需要额外的硬件电路。

下面，我们来看看上面那个例子在内存中的存储：

我们通过调试可以发现，内存中存储的是a，b的补码，但是我们在代码中分析后发现我们所存储的地址，顺序好像不太对劲，这是怎么一回事呢？接下来就是涉及以下知识：

2.2 大小端介绍：

什么大端小端：

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。（我理解是低低，高高 哈哈哈）

eg：

为什么有大端和小端：

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。

百度2015年系统工程师笔试题：

请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。（10分）

思路：

我们就用1来举例子进行验证，我们知道1的16进制是 0x 00 00 00 01,我们就查找1存放的第一个地址，如果第一个查找到的是1，那么这个就是小端，因为先查找到01说明数据的低位，存放在内存的低地址，反之就是大端，用代码是如下这样实现：

int main()
{
    int i = 1;
    //两种写法
    //char* p = (char*)&i;//char* 对应一个字节
    //int ret = *p;//解引用

    int ret = * (char*)&i;//直接一步到位
    if (ret == 1)
    {
        printf("小端\n");
    }
    else
    {
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}

结果如下:

2.3 练习(关于整形存储)

大家在look之前，自己先尝试尝试做做：（会有不一样的收获）

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;
}

很多同学看到这个时可能会想这不就直接输出三个-1吗,实不相瞒我一开始也是这样的想法，但是内心还是会觉得真的有这么简单吗？事实上是没有这么简单的，这就利用到，我们上面所讲述的unsigned（无符号），我们解释了无符号就是所有二进制位都是数值型，好了，回顾以上知识后，对于这题结果，会发现一个新大陆，下面我们来具体解释：

上面就是 这题的结果，但是细心一点的大佬就会发现，我写的好像有个bug，我说unsigned char c =-1，这个时候补码的所有的1都是数值位，结果怎么会只有255，是的，32个1转换位数值是绝对不可能只有255，他可能有上亿亿，那这是为啥捏？这就涉及另外的一个知识点就是char类型的取值范围和unsigned char的取值范围！！！

char取值范围：

（如下图所示）

unsigned char取值范围：

（如下图所示）

所以上面所说的问题也是没有一点毛病的，因为即使是32个1的数值位，他也不可能超过这个取值范围，所以最多只能是255！

下面再来几个比较有意思的练习：

int main()
{
    unsigned int i;
    for (i = 9; i >= 0; i--)
//-1 -2 -3 ...-100...都是看作无符号，一直是可以打印的
    {
        printf("%u\n", i);//无符号的，一直死循环进行打印
    }
    return 0;
}

在这题中，注意的就是%u是无符号进行打印，因此不论多大的负数，都是可以打印出来的，因此是一个死循环。

再来一个类似的：

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for (i = 0; i <= 255; i++)//由于取值范围的限制，i是永远不可能大于255的，
    //所以这个代码是死循环打印hello world
    {
        printf("hello world\n");
    }
    return 0;
}

下面这题，我当初做的时候就有些小疑问，但是现在能够嘎嘎解出来下面一起和大家解解这题

int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for (i = 0; i < 1000; i++)
    {
        a[i] = -1 - i;
    }
    printf("%d", strlen(a));
    return 0;
}

这题它是计算数组长度，我们通过上面的讲解我们知道char的取值范围在-128~127之间，大家不知道是否还记得我所画的那个圆，它是一个循环，加一是顺时针进行循环，减一是逆时针进行循环，不记得的可以回到char取值范围这里进行浏览一下，所以我们的数组就是从-1一直到-128再到127接着到0（-1~-128 -128~127 127~0），找到0的时候就停止了，因为我们strlen函数，找到'\0'（0）就会停止，此时数组一共有255个元素。

结果如下：

---

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

下面，我们先来看一个例子，进而了解浮点数在内存中存储。

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;
}

那么这几个值是多少呢？

相信大家一定有个这样的问题，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

3.2 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

• (-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。

（主要就是SME，利用这三个可以将一个浮点数进行转换）

下面举一个例子：

十进制的5.0，写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2 （小数点向左移动两位）。

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。（S只有0/1这两个数）

下面我们用一个图来表示5.5写成二进制：

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 01111110 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）；

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。

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。

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（130）。

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 。

下面我们将解放在代码中：

int main()
{
    int n = 9;
    //00000000000000000000000000001001 - 9的补码
    //0 00000000 00000000000000000001001
    //(-1)^0(S) * 0.00000000000000000001001(M) * 2^-126(E)
    //所以V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)是一个非常小的数
    //所以转换浮点数位 ：0.000000

    float* pFloat = (float*)&n;

    printf("n的值为：%d\n", n);//9
    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//0.000000


    *pFloat = 9.0;
    //1001.0
    //v = (-1)^0 * 1.001 * 2^3
    //s=0
    //e=3
    //m=1.001
    // 
    //01000001000100000000000000000000
    //转换为是十进制
    printf("num的值为：%d\n", n);//1,091,567,616
    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.0
    return 0;
}

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小火车继续前进~~~~~