C语言 - 深度剖析数据的存储

一、数据类型详细介绍

1、内置类型

内置类型就是C语言中自带的数据类型。在之前的学习中也有一定的了解：

char
short
int
long
long long
float
double

2、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

3、类型的归类

1、整型家族

2、浮点型家族

3、构造类型(自定义类型)

数组也是一种自定义类型，数组去掉数组名就是类型

int main()
{
     

	int arr[10];//int [10]
	int arr[5];//int [5]
	return 0;
}

4、指针类型

5、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

二、整型在内存中的存储

1、原码、反码、补码

数据在内存中是以二进制的形式进行存储的。对于整数来说，整数的二进制有3种表示形式：原码、反码、补码
对于正负整数来说有符号位之分：如果为正，高位为0；如果为负，高位为1

正整数：原码、反码、补码相同
---------------------------------------------------------分割-----------------------------------------------------------------------
负整数：原码、反码、补码之间的转换是需要计算的
原码：根据数值直接写出它的二进制序列
反码：原码的符号位不变，其它位按位取反
补码：反码+1
注意：整数在内存中存储的是补码，而打印出来给人看到的是原码

2、为什么在内存中是以补码的形式进行存储的

CPU只有加法器，只可以做加法运算，减法等运算都是用加法去模拟的
官方来说：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，补码和原码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路

验证补码在内存中存储并计算：

1 - 1 -> 1 + (-1)：
--------------------------------------使用原码进行计算-------------------------------------

--------------------------------------使用补码进行计算-------------------------------------

3、-10的存储

这里有一个点就是在当前编译器下-10在内存中是倒着存储的

三、大小端字节序

这里将会解答倒着存储的问题

1、什么是大端小端

大端(存储)模式，是指将数据的高字节内容放到内存的低地址处。而数据的低字节内容放到内存的高地址处
小端(存储)模式，是指将数据的高字节内容放到内存的高地址处。而数据的低字节内容放到内存的低地址处

2、为什么会有大端小端

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1个字节，1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、int型(要看具体编译器)，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。

3、实例

1、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)
概念就不说了，上面有的

#include
int check_sys()
{
     
	int a = 1;
	char* p = (char*) &a;
	return *p;//返回1表示小端，返回0表示大端
}
int main()
{
     
	int ret = check_sys();
	if(1 == ret)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n"); 
	return 0;
}

2、输出什么？

#include
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;
}

结果：
a=-1, b=-1, c=255
分析：
-----------------------------------a-----------------------------------

-----------------------------------b-----------------------------------
同a
-----------------------------------c-----------------------------------

-----------------------------------------分割线--------------------------------------------------------------------------
补充：
1、char是signed char还是unsigned char。C语言并没有规定，取决于编译器(大多数编译器下是signed char)
2、int、short是signed是C语言规定的

3、输出什么？

#include
int main()
{
     
	char a = -128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

结果：
4294967168
分析：

4、输出什么？

#include
int main()
{
     
	char a = 128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

结果：
4294967168
分析：

5、char类型变量的取值范围(敲黑板)

根据3、4题，同志们应该有许多疑问。比如char a能存储128吗？
signed char:

所以这里128不能被完全的放进去，而会发生截断，从而变成-127
unsigned char

6、输出什么？

#include
int main() 
{
     
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}

结果：
-10
分析：

7、输出什么？

#include
int main()
{
     
	unsigned int i;
	for(i = 9; i >= 0; i--)
	{
     
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}

结果：

分析：
i是个无符号类型的，也就是i只能>=0，所以这个循环的条件就恒成立

8、输出什么？

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

结果：
255
分析：
-1 -2 -3 … -127 -128 127 126 125 … 3 2 1 0 -1 -2…
在此过程中不断的 -1 - i
在循环结束后使用strlen去计算字符串长度时中途会碰到 \0 导致出现了255的结果

超出范围的数据如果是正数，则减去256；如果是负数，则加上256

补充：

9、输出什么？

#include
unsigned char i = 0;
int main()
{
     
	for(i = 0; i <= 255; i++)
	{
     
		printf("hello bit\n");
	}
	return 0;
}

结果：
死循环
分析：
对于无符号的char类型的取值范围是0 ~ 255。而当i == 255时，再往后加，又会变成0。所以这个循环的条件就恒成立

四、简单了解整型和浮点型的头

1、整型

对于整型家族它们的取值范围定义在limits.h中

2、浮点型

对于浮点型家族它们的取值范围定义在float.h中

五、浮点型在内存中的存储

1、先看一个例子

#include
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;
}

结果：

---

就目前学到的东西显然不能对此题作出正确的分析：

经过与正确输出结果的对比：
对了俩(以整型的视角放，以整型的视角拿 || 以浮点型的视角放，以浮点型的视角拿是没问题的)
错了俩(以整型的视角放，以浮点理的视角拿 || 以浮点型的视角放，以整理的视角拿是有问题的)
说明整型和浮点型在内存中的存储方式肯定是有区别的
正确分析请移步例2

2、进一步探讨

1、标准规定

根据国际标准IEEE(电气和电子工程协会)754，任意一个二进制数V可以表示成以下形式

• (-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

IEEE 754规定：对于32位浮点数float，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double，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对于有效数字M和指数E，还有一些特别规定
如何放

对于S
相对简单，没啥说的
对于M
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1位总是1，因此可以舍去不用存，只保存后面的xxxxxx部分(比如保存1.01时，只保存01)，等到读取的时候，再把第1位的1加上去。这样做的目的是可以节省1位的有效数字。(以32位浮点数为例，留给M的只有23位，将第1位的1舍去后，等于可以保存24位有效数字)
对于E
就比较复杂了，首先，E是一个无符号整数(unsigned int)这意味着，如果E为8位，它的取值范围就为0 ~ 255；如果E为11位，它的取值范围就是0 ~ 2047。但是我们知道，科学计数法的E是可以出现负数的(比如说：十进制的0.5要转换为二进制是0.1，再写成科学计数法就是1.0 * 2^-1。这里S = 0；M = 1.0；E = -1 )，所以IEEE 754规定，存入内存时E的真实值必须加上一个中间数，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）

如何取

对于E从内存中取出还可以分为三种情况：
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的二进制形式是0.1，由于规定正数部分必须为1，即将小数点右移一位，则为1.0 *2^(-1)，其阶码为-1 + 127 = 126，表示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为全0
这时，浮点数的指数E等于1 - 127或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.xxxxxxx的小数。这样做是为了表示 ±0，以及接近于0的很小的数字(比如：当我们发现E里面全为0时【说明E是-127+127得到的】，则2^-127是1 / 2^127这将是一个非常小的数字，因为 2^32已经是42亿多了。所以 2^-127几乎是一个无限接近于0的数字，所以IEEE 754就给出了这样一个规定)
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)(比如：当E全为1时，则为255。所以真实的E是128，因为128 + 127 = 255。则2^128
---------------------------分割线---------------------------
注：这里对于怎么拿怎么取只要掌握基本情况E不全为0或不全为1即可，至于E全为0或全为1不要太过于深入了

2、举例解读标准

例1：

例2：

回顾上面未解决的实例，这里主要解决*pFloat和num的值

#include
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;
}

结果：

分析：

---------------------------分割线---------------------------------