⭐️ C语言进阶 ⭐️数据在内存中的存储（深度剖析）
目录
前言
数据类型
C语言基本的内置类型
类型的意义
类型的基本归类
整形在内存中的存储
原码、反码、补码
意义
大小端
什么是大端小端
为什么有大端和小端
一道笔试题
练习
浮点型在内存中的存储
常见的浮点数
浮点数存储
浮点数存储规则
IEEE 754规定
特别规定
指数E从内存中取出
前言
本文主要讲解点
- 数据类型详细介绍
- 整形在内存中的存储：原码、反码、补码
- 大小端字节序介绍及判断
- 浮点型在内存中的存储解析
数据类型
C语言基本的内置类型
char //字符数据类型
unsigned char //signed（有符号）/unsigned（无符号）
signed char
//大多数编译器默认char为 signed char 即有符号类型（有的认为是unsigned char）
//对于 short int long 都认为是有符号类型
short //短整型
unsigned short
signed short
int //整形
unsigned int
signed int
long //长整型
unsigned long
signed long
long long //更长的整形
float //单精度浮点数
double //双精度浮点数
//C语言有没有字符串类型？ 有字符串，没有字符串类型
类型的意义
- 使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）
- 如何看待内存空间的视角（电脑存取数据看待的视角）
类型的基本归类
- 整形家族
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）//理论不会开辟空间，要么当做为一个占位符，故不能定义变量
//通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型 整形在内存中的存储
变量的创建会在内存中开辟空间，而空间的大小根据类型来决定
原码、反码、补码
原码、反码和补码三种表示方法均有符号位和数值位
符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”（符号位依旧符合二进制运算）
- 正整数
原、反、补码都相同
- 负整数
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
- 对于整形来说
数据存放内存中其实存放的是补码
而数据的读取是使用原码
意义
在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储
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）
而补码与原码相互转换的运算过程是相同的（共用一套法则）（不需要额外的硬件电路）
大小端
对于数据在内存存储补码时的字节排列顺序是有差异的（对于不同编译器）
什么是大端小端
大端：指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高（权）位，保存在内存的低地址中
小端：指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高（权）位，保存在内存的高地址中
为什么有大端和小端
计算机系统是以字节为单位，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为8 bit
而C语言中除了8 bit的char之外，还有其他类型（大于8bite）以及寄存器宽度不一样
必然会涉及存储时字节安排的问题，而并没有规定，也没有科学的理由说服彼此，就有大小端之分
注：char类型没有大小端（8bite）
一道笔试题
设计一个小程序来判断当前机器的字节序
int check_sys()
{
int i = 1;//补码：00000000000000000000000000000001 （16进制）0x00000001
return (*(char *)&i);//（char*）&i是取的i存储在低地址首字节的地址
} //*解引用如果得到1则为小端（低权位放在低地址）
int main() //如果得到0则是大端（高权位放在低地址）
{
int ret = check_sys();
if(ret == 1)
{
printf("小端\n");
}
else
{
printf("大端\n");
}
return 0;
}
练习
- 例题一
//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;
}
char a= -1;
//-1
//原：10000000000000000000000000000001
//反：11111111111111111111111111111110
//补：11111111111111111111111111111111
//char类型为1字节，存储时会发生截断
//存储补码：11111111（从后面截断）
//整型提升：（补）11111111111111111111111111111111
//需要整型提升看数据类型
//%d：以有符号整型（4字节）打印
//需要打印看打印类型
//原码：10000000000000000000000000000001
signed char b=-1;
//char一般默认为signed char（故与a一致）
unsigned char c=-1;
//存储补码：11111111
//整型提升：（补）00000000000000000000000011111111
//符号位为0，是正数，原反补相同
//原：00000000000000000000000011111111
输出结果：-1 -1 255- 例题2
2.
#include
int main()
{
char a = -128;
printf("%u\n",a);
return 0;
} char a = -128;
//补：10000000
//整型提升：111111111111111111111111110000000
//%u：以无符号整型打印
//原：11111111111111111111111110000000
输出结果：4294967168
- 例题3
#include
int main()
{
char a = 128;
printf("%u\n",a);
return 0;
} char a = 128;
//原：10000000000000000000000010000000
//补：11111111111111111111111110000000
//（截断）补：10000000（原码与-128一样，不过规定这是-128）
//char类型的范围是-128—127
//与例题2过程一样
输出结果：4294967168- 例题4
int i= -20;
unsigned int j = 10;
printf("%d\n", i+j);
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数int i= -20;
unsigned int j = 10;
//-20的补:11111111111111111111111111101100
// 10的补:00000000000000000000000000001010
// i+j补:11111111111111111111111111110110
//有符号整型打印：（原）10000000000000000000000000001010
输出结果：-10- 例题5
unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)
{
printf("%u\n",i);
}
//i是无符号数
//当i为负数：例如i=-1时
//原：10000000000000000000000000000001
//补：11111111111111111111111111111111
//条件判定（以无符号数参与表达式，结果是i被认为是一个非常大的数），一直都能执行语句（死循环）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
浮点数存储
- 例如
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;
}
- 输出结果
说明：浮点数存储与整型存储完全不同
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
例如
十进制的5.0
写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2
得出s=0，M=1.01，E=2IEEE 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
特别规定
- 对于M
在计算机内部保存M时（因为1≤M<2），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（节省1位有效数字）
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
- 对于E
E为一个无符号整数（unsigned int）
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
但对于科学计数法来说E是可以出现负数的
所以存入内存时E的真实值必须再加上一个中间
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
指数E从内存中取出
- E不全为0或不全为1
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
- E全为0
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）
回到上述例题
输出结果怎么是这样呢？
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);
解：int n = 9是以整型存储的视角将9赋值给n
9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001（整型存储）打印浮点数时则是以浮点存储的视角来看待这串内容
拆分0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
得到s=0，E=00000000 ，M=000 0000 0000 0000 0000 1001（指数E全为0，符合第二种情况)
浮点数V就写成： V=(-1)^0 *0.00000000000000000001001*2^(-126)=1.001*2^(-146)
这时V是一个很小的接近于0的正数，得到输出结果为：0.000000
*pFloat = 9.0则是以浮点数存储的角度n的空间的内容修改为9.0
此时浮点数9.0 -> 1001.0 >(-1)^0*1.001*2^3 ->即 s=0, M=1.001,E=3+127=130
9.0 ->0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000（浮点数存储）当这串内容以整型打印时（即以整型存储的视角看待）得到输出结果：1091567616