深度刨析数据在内存中的存储

数据类型的分类

我们要了解数据在内存的储存，就必须要理解数据类型。
数据分为很多种，不同的数据类型就有不同的储存方式。

了解数据类型的意义：

1. 使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定使用范围）。
2. 如何看待内存空间的视角。

数据的基本归类

 - 整型
    - char
       - unsigned char
       - signed char
    - short
       - unsigned short [int]
       - signed short [int]
    - int
       - unsigned int
       - signed int
    - long
       - unsigned long [int]
       - signed long [int]
 - 浮点数
   - float
   - double
 - 构造类型
   - 数组类型
   - 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

不同的类型有不同的储存方式。

整型在内存的储存

整形在内存中开辟内存的大小根据不同的类型决定。

而它是如何在内存中储存呢？
我们以char为例（除了开辟空间大小不同，整型的所有储存方式是相同的）。

扩展了解：负数在计算机中如何表示？：https://blog.csdn.net/qq_40893595/article/details/104439660
整型提升：https://blog.csdn.net/qq_40893595/article/details/104441826

原码、反码、补码

计算机储存数据都以二进制形式存储，而计算机中有符号数有三种表示方法，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”，而对于数值位三种表示方法各不相同。

原码
直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。
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了。
补码
反码+1就得到补码。

正数的原、反、补码都相同。

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。

对于无符号类型，也是直接以补码储存，不同的是，有符号的负数需要将存储的补码还原成原码输出。

大端小端

https://blog.csdn.net/qq_40893595/article/details/104660426
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。

为什么有大端和小端：
为什么会有大小端模式之分呢？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果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。

小段机器：

我们也可以利用代码判断是大端还是小端：

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）

//代码1
#include 
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; }
//代码2
int check_sys()
{
 union
 {
 int i;
 char c;
 }un;
 un.i = 1;
 return un.c; }

浮点数在内存中的存储

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; 
 }

从上述代码中我们可以看到，同为32bit的 int 和 float 类型从存储上来看是不同的。

那么有小数点的浮点数应该怎么储存呢?

国际标准IEEE（电气和电子工程协会） 754

我们可以联想到初中时，表示一个很长的小数或是很长的大数时可以使用标准科学表示法表示。

标准科学表示法要求：

1. 表示格式为 x*10^y
2. x取值范围为（1，10）

因此我们就可以用这种方法来记录浮点数。
同理十进制可以乘以10 ^y，那么二进制可以乘以2 ^y 。

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。

我们可以发现用这种方法可以表示S、E但M仍然是小数点如何表示呢？

我们看看要求就可以知道，M小数点前只能为1，也就是说，M可以写成 1.xxxxxx 的形式，其中xxxxxx表示小数部分。
那么我们只需要储存小数点以后的数就可以了，取出时再加上小数点和1就可以了。

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：

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，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

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）；

还记得开始的代码结果，整型为什么是1091567616了吗？

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)^ 01.0012 ^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。