数据在内存中的存储

原创于 2025-09-18 12:12:07 发布 · 470 阅读

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#数据存储

1、数据类型

整形家族：char short int long（有无符号）

浮点型家族：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），通常用于函数返回类型、函数的参数、指针类型

2、整形在内存中的存储

2.1 原码、反码、补码

最高位为符号位，0表示“正”，1表示“负”。正数原反补相同

负数求补码，二进制表示原码，符号位不变，其他位取反为反码，+1为补码

2.2 大小端介绍

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；

小端则低存低，高存高。（低位字节序，高位字节序）

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8bit，但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32bit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

内存中存的都是补码：

Signed char:正数:0000 0000->0(对应十进制的0)

0000 0001->1

0000 0010->2

0000 0011->3

……

0111 1111->127

负数:1000 0000->-128(直接转换)

1000 0001->-127

1000 0010->-126

……

1111 1110->-2

1111 1111->-1(八个全1是-1在内存中存的补码,取反+1

转换为原码是1000 0001)

unsigned char:0000 0000->0

0000 0001->1

0000 0010->2

0000 0011->3

……

0111 1111->127

1000 0000->128

1000 0001->129

……

1111 1110->254

1111 1111->255

signed short:0000 0000 0000 0000->0

0000 0000 0000 0001->1

……

0111 1111 1111 1111->32767

1000 0000 0000 0000->-32768

1000 0000 0000 0001->-32767

……

1111 1111 1111 1110->-2

1111 1111 1111 1111->-1

unsigned short:0000 0000 0000 0000->0

0000 0000 0000 0001->1

0111 1111 1111 1111->32767

1000 0000 0000 0000->32768

1000 0000 0000 0001->32769

……

1111 1111 1111 1110->65534

1111 1111 1111 1111->65535

总结:signed char取值为-128~127

unsigned char取值为0~255

signed short取值为-32768~32767

unsigned short取值为0~65535

例1：char a = -1

signed char b = -1

unsigned char c = -1

printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c)

输出结果是什么？

答：a=-1,b=-1,c=255

解释：有符号char取值-128~127，所以a，b赋值为-1

-1的原反补码：

原码：1000···0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001（共32位）

反码：1111···1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110

补码：1111···1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

因为a被赋值为-1，-1是32位的，而内存中存的是补码，把原转补后仍为32位，char a仍放不下，故截断，最后存到a中的是8个1，而%d 打印的是有符号的整型，故整型提升，提升补码，因高位为1，全补1，再取反+1到原码，最后打印原码。

对于无符号的c，因c本身为无符号的数，所以高位补0，而最后打印有符号整型，而正数的原反补码相同，则c打印出来为255

总结：整型提升看它自身原本类型

有符号：负数高位补1

正数高位补0

无符号：高位补0

例2：char a = -128

printf("%u",a)

printf("%d",a)

打印结果是什么？

答：结果为4294967168 -128

解释：-128原码:1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000

反码:1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 1111

补码:1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000

截断后仅保留后八位1000 0000

若以%u打印就是无符号整型，而正数的原反补码相同，则打印为一个很大的正数，若以%d打印需转原码

(原码转补码要取反+1，补码转原码也可以取反+1)

打印之前先进行整型提升，且a是有符号类型，赋给a的值是个负数，所以高位补1

补码:1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000->4294967168

反码:1000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111

原码:1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000->-128

3、浮点数存储规则

根据国际标准IEEE（电气和电子工程师协会）754，任意一个二进制浮点数V可以表示成以下形式：(-1)^S * M * 2^E

(-1)^S表示符号位,即-1的S次幂，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，2的E次幂

例：V=5.0（十进制）→ 101.0(二进制)→ 1.01 * 2^2(底数是2的原因为:在十进制中每一位是10的几次幂，在二进制中每一位就是2的几次幂)

= (-1)^0 * 1.01 * 2^2

S=0 M=1.01 E=2

但对于V=9.6→ 1001.100……（十进制转二进制，点前点后分别写成二进制）

点前第一位的权重是2的0次方，点后第一位是2的-1次方(就是0.5)，但无论后边凑多少位，总是无法凑到0.6，此时就会出现精度丢失

对于float浮点数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11位E，剩52位M

3.1 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

3.2 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。

3.3 然后，指数E从内存中取出还可以再分成三种情况：

(1) 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（8位），而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐0到23位，则其二进制表示为：

0 0111 1110 000 0000 0000 0000 0000 0000

(2) 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

(3) 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：int n = 9;

float* pFloat = (float*)&n;