你真的了解C吗--深度剖析数据在内存中的存储（C进阶）

整形在内存中的存储

当我们创建一个变量是要在内存中开辟空间，而空间的大小是根据不同的类型而决定的！！！

那数据在所开辟内存中到底是如何存储的呢？
如果是整形，则以补码形式存储

原反补

计算机中有符号数有三种表示方法，即原码、反码和补码。而这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”，而数值位三种表示方法各不相同。正数的原码、反码和补码都是相同的。

原码：直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制即可。
反码：在 原码的基础上，符号位不变，其他位依次按位取反。
补码：反码+1就得到补码。

单纯的计算机

在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。为什么呢？原因是使用补码。可以将符号位和数值位统一处理；与此同时，假发和减法也可以统一处理（CPU只有加法器）。补码与原码相互转换，起运算过程是相同的，可以大大减小对硬件电路的需求。
那么问题来了！既然CPU只有加法，那按这个道理补码往原码转不是还要再减1吗？是的，可以这么认为。但是研究计算机的大佬们还发现把补码看成原码，再次进行原反补竟然还能转回去！！！所以计算机就是这么做的。

实例讲解

实例1：数据以补码形式存储!

这里大家不要疑惑，为什么是十六进制？十六进制是给我们看的，这是可以在编译器理调的，而二进制是才是给计算机看的。

实例2：原反补约束谁？变量？数据？

有很多人可能认为，我们编写代码定义的变量类型是什么，那存的数据就是怎么样的，这是错误的理解！

这个例子就很明显的可以看到，我们定义的是无符号char，但是计算机还是将原始数据按照有符号原反补转换之后存储进内存。

实例3：类型的意义

请思考如下代码的结果是什么？

在读取一个变量的时候，是该变量的类型，决定了如何看待该变量内部的二进制序列的含义，不论如何看待二进制序列，二进制序列本身是不发生变化的，但是经过类型解释二进制代表的含义是会发生对应的变化的，这也就是类型的意义。
那么现在大家对上面这道题的答案了解了吗？a = -1，b = -1，c = 255，a和b我们自然不用说了，那c为什么是255呢？我们说存储的时候计算机存储的是原始数据的补码，但是当我们读取变量的时候看的是变量的类型，这时候变量类型会解释二进制代表的含义，c是无符号的，所以什么符号位，什么数值位计算机都不管了，全部看成数值位。当下二进制序列位1111 1111，即255。

数据的取值范围

读到这里大家可能说取值范围我知道啊，书上表格里写的清清楚楚明明白白的，没错，是这样，但是你真的清楚吗？unsigned char 的取值范围是[0,255] ，这个简单啊，char占1字节，8bite，也就是从0000 0000 ~ 1111 1111，那么signed char的取值范围是[-128,127]，这是为什么？有符号首位肯定是符号位，其他位数值位，但是大家有没有注意到有两个0，一个是0000 0000，另一个是1000 0000，也就是±0，对于1000 0000大佬们将它规定为-128，这里我们来解释一下（涉及截断问题）

由此我们也可以推而广之：unsigned int的取值范围是[0,2^ 32-1],而signed int的取值范围是[-2^31,2 ^31-1]。

大小端存储

内存访问的基本单位是字节，只要是字节，每个字节都有地址，只要有地址，地址值就会有大小之分。数据按照字节为单位，可以被划分成若干部分，每一部分对应的“权值”是不同的，只要不同也就有高低之分。把数据的低权值字节数据，放在低地址字节里面，这种存放方式就叫做小端存储。注意：写入和读取的时候要考虑大小端问题。我们的计算机大多都是按小端存储来设计的。

浮点型内存存储

问题思考

想一想这个代码的结果是什么？

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;
}

浮点数的表示

浮点数可以表示为科学计数法的，例如123.123可以表视为1.23123e2，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可以表示成下面的形式：

1. (-1) ^ S * M * 2 ^E
2. (-1) ^ S 表示符号位，当S = 0 ， 浮点数为正数，当S = 1 ，浮点数位负数
3. M表示有效数字，大于等于1 ，小于2
4. 2 ^ E表示指数位

举例来说：十进制的5.0携程二进制是101.0，相当于1.01*2^2。那么，按照上面的格式，可以得出S = 0，M = 1.01，E = 2。对于32位的浮点数，最高位是符号位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，最高位是符号位S，接着11位是指数E，剩下的52位为有效数字M。

M的知识点

前面说过，M的取值范围是[1,2],也就是说，M可以写成1.xxxx的形式。在计算机内部保存M时，默认这个数的第一位总是1，因为可以被舍去，只保存后面xxxxx的部分，所以23位的有效数字将第一位社区以后，等于可以保存24位有效数字。

E的知识点

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
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）；

答案揭秘

n的值为：9
*pFloat的值为：0.000000
num的值为：1091567616
*pFloat的值为：9.000000

空类型

1. void * 能定义变量，甚至能赋值，说明void*本身给变量开辟了空间
2. 但是，void*对应的变量不能被直接解引用！！！
3. void*可以用来接收任意类型，常用来接收任意指针
4. void不能用来定义变量，但是能用来作为函数返回值，表示无类型返回

总结

对于编程学习，我个人认为把很多知识点都吃透，也许有很多我们觉得没有必要学习的东西，但是我发现把这些东西都把控好就会将计算机的体系联系起来。就比如我们讲了原反补，这个知识点在很多计算机相关专业中都有提到，但是并没有讲到C语言中到底是怎么样的！这篇博客我们主要讲了整形和浮点，后面还会深挖指针、构造类型。创作不易，读者如果觉得博主写的还不错，请关注我，为我点赞，谢谢！