【C语言进阶笔记】揭秘数据内部存储 ！！
目录
数据类型介绍
类型的基本归类
整形家族
浮点数家族
构造类型
指针类型
空类型
整型在内存中的存储
原码
反码
补码
存储补码的原因：
大小端介绍
什么大端小端：
为什么有大端和小端
设计一个小程序来判断当前机器的字节序
整型存储的例子
练习1
练习2
练习3
练习4
练习5
练习6
char 和unsigned char的取值范围
练习7
浮点型在内存中的存储
常见的浮点数
浮点数存储的例子
浮点型数据在计算机内部的表示方法
解析
总结
数据类型介绍
前面我们已经学习了基本的内置类型：
char //字符数据类型
short //短整型
int //整形
long //长整型
long long //更长的整形
float //单精度浮点数
double //双精度浮点数
以及他们所占存储空间的大小，
那么这些类型肯定有其特定的意义：
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.决定了如何看待内存空间的视角
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]在这里char虽然是字符，但是在内存中存储的是他的ASCII码，所以，char也是整型家族的。
浮点数家族
float //单精度
double //双精度构造类型
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）
通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型了解基本类型之后，我们就需要知道他们在内存中是如何存储的:
整型在内存中的存储
我们之前讲过变量要在内存中开辟空间，空间大小是根据不同的类型来决定的，不同的数据类型在内存中存储的方式不同，那么数据在内存中到底如何存储的，我们来看看：
比如有这样一段代码：
int a=20;
int b=-10;
我们知道a和b分配的空间都是四个字节，那么他们是如何存储进去的呢？
前面我们已经知道整数在内存中以补码形式存储，正整数的原码反码补码都一样，但是对于负整数，求出原码还得通过补码的转换，那么如何转换，我们再来复习一遍他们的概念和转换方法；
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。
那为什么整型在内存中存的是补码呢?
存储补码的原因：
我们拿-1和1举例,试想一下如果以原码形式存储,那么-1加1应该是：
-1：10000000000000000000000000000001
1： 00000000000000000000000000000001
-1+1:10000000000000000000000000000010，结果竟然是-2，显然不对，-1+1应该是0才对。那么我们看看以补码相加：
-1：1111111111111111111111111111111
1：00000000000000000000000000000001
-1+1:00000000000000000000000000000000，结果是0，所以整型数据以补码形式存储是对的。
总的来说，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。
那么我们来看看整型数据在内存中以补码形式是如何存放的：
我们发现他们是以补码形式存储的，但是存储形式有点不对劲，是倒着存的，为什么是倒着存的呢？
这里涉及到大小端字节序的问题，什么数大小端字节序？
大小端介绍
什么大端小端：
假设有变量int a=0x11223344;
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
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。
了解大小端存储模式之后，我们可以来看看大小端字节序的一道，加深对大小端存储的理解：
设计一个小程序来判断当前机器的字节序
解题关键：
只需给定一个变量：int a=1;
大端存储是高位字节保存在低地址，小端存储是高位字节保存在高地址；
所以只需判断内存中第一个字节即可，如果内存中第一个字节是00，那么就是大端字节序，如果第一个字节是01，那么就是小端字节序。
代码示例:
#include
int check_sys()
{
int a = 1;
char *p=(char*)&a;//指针存储第一个字节地址；
return *p;//第一个字节是1就返回1，第一个字节是0就返回0；
}
int main()
{
int ret = check_sys();
if(ret == 1)
{
printf("小端\n");
}
else
{
printf("大端\n");
}
return 0;
} 整型存储的例子
练习1
#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;
} 解析：
char a为有符号数，且为一个字节数，将-1赋值给a时发生截断，将-1的补码前八位赋值给a,也就是说char a=11111111;
同样的道理，char b和char c也会发生截取，截取后结果都是11111111；
但是打印时按有符号整型打印，这时就发生整型提升，a和b都是有符号数，将最高位作为符号位提升就是：11111111111111111111111111111111（反码），所以得到a和b的原码就是10000000000000000000000000000001，这就是-1的原码，所以a和b都打印-1；
但是c不同，c是无符号的char，提升时高位补0提升就是：00000000000000000000000011111111（255的原码），由于无符号数的原码和补码都一样，所以c打印为255；
拓展：
在c语言中，char型到底是signed char 还是unsigned char,c语言没有规定取决于编译器，但是int 就是signed int;short就是signed short。
练习2
#include
int main()
{
char a = -128;
printf("%u\n",a);
return 0;
} 解析：
char a是有符号数，-128的原码是10000000000000000000000010000000，转换得到其补码是11111111111111111111111110000000，赋值时发生截取，所以char a就是10000000；
打印时按照无符号整型打印，首先发生提升，提升时按照原符号位提升，a是负数，提升时高位补1，所以a提升后就是：11111111111111111111111110000000；
通过计算器我们求得这是一个很大的数：
所以此时a打印为4294967168。
练习3
#include
int main()
{
char a = 128;
printf("%u\n",a);
return 0;
} 解析：
char 型是有符号的类型，但是128是个正数，其原码为：00000000000000000000000010000000，截取前8位赋值给a，就是char a=10000000;
打印为无符号整型，发生整型提升，提升时由于a原本为有符号的整数，将高位1作为符号位提升后就是11111111111111111111111110000000；
所以结果和上题一样，是同一个很大的数，4294967168。
练习4
#include
int main()
{
int i= -20;
unsigned int j = 10;
printf("%d\n", i+j);
return 0;
} 解析：
int i是有符号的整型，-20的原码是：10000000000000000000000000010100，通过转换得到其补码是：11111111111111111111111111101100；
int j是无符号的整型，10的原码是：00000000000000000000000000001010,由于是无符号，所以原码即补码；
i和j存储的是补码，所以相加是也是采用的补码,那么i+j就是：11111111111111111111111111110110，由于打印的是有符号整型，所以需要转换成原码就是：10000000000000000000000000001010；
这是-10的原码，所以这里打印的是-10。
注意：
这里并没有发生算术转换，因为并没有把i+j存储到一个变量中，而是直接打印i+j;
这里如果加上if(i+j)>0的判断或者将i+i赋值给一个变量c再打印出c，那么结果都是大于0的，因为要将i+j存储到一个变量中会首先发生算术转换，将int转换为unsigned int ,那么i+j必定是大于0的。
练习5
#include
{
unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)
{
printf("%u\n",i);
}
retur 0;
} 解析：
i为unsigned int,是一个正整数，永远是>=0的，所以循环条件一直满足，循环就一直进行，最终导致死循环。
练习6
#include
int main()
{
char a[1000];
int i;
for(i=0; i<1000; i++)
{
a[i] = -1-i;
}
printf("%d",strlen(a));
return 0;
} 解析：
char a是一个数组，存储的是有符号的char ,然而char是有范围的数，所以在循环体中，即使i会越来越大，但是char数组a[i]的范围是-128到127，那么为什么是这样的呢？
char 和unsigned char的取值范围
下面通过图来解析，更加形象直观：
而无符号unsigned char的取值范围是：
大家也可以通过圆形图来记忆，更加容易理解:
知道char的取值范围之后，我们就可以解决练习6啦，由于strlen是求数组的长度，而strlen是计算'\0'之前的个数，'\0'的ASCII码是0；
也就是说a[i]的值是这样变化的，-1，-2......-128 127 126......2 1 0 -1 -2.......;
所以strlen的值是128+127=255。
练习7
#include
unsigned char i = 0;
int main()
{
for(i = 0;i<=255;i++)
{
printf("hello world\n");
}
return 0;
}
解析：
因为unsigned char的范围是0到255,所以i恒小于255,循环条件一直满足，导致死循环。
这就是整型存储的例子，相信大家看完这些练习后会收获很多。
下面来看一下浮点数在内存中的存储:
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。 浮点数表示的范围在float.h中定义
浮点数存储的例子
#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;
} 我们知道整型数据是以补码形式存储的，那么浮点数是不是呢？
我们来看看运行结果：
我们可以看到n的值明明和*pFloat的值是一样的，为什么打印出来的结果却相差这么大呢？可以看出浮点数和整型存储的方式不一样，想要知道浮点数的存储方式，我们必须要搞懂：
浮点型数据在计算机内部的表示方法
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(也叫阶码），剩下的23位为有效数字M（也叫尾数）;
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。
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的时候，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。
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:
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
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）。
了解了浮点数在内存中的表示方法之后，我们就可以来解决上面那道题了：
解析
1.首先n以整型形式存储，再以整数形式打印，那么就是原来的值，所以第一个打印为9；
2.整型存储，浮点型取出。整数9的补码是：00000000000000000000000000001001，根据上面的规则可知，s=0,E=00000000,M等于00000000000000000001001；
E为全0，所以这时E的真实值是1-127=-126，M的值还原为小数部分就是00000000000000000001001，所以这时*pFloat的值非常小，趋近于0，转换成十进制就是0.000000。所以第二个打印为0.000000。
3.浮点型存储，整型取出。根据规则，9.0可写成1001.0=1.001*2^3；所以s=0,E=3,M=001。但是在存储时E=3+127=130，其补码是10000010,所以9.0在内存中表示为01000001000100000000000000000000。但是以有符号整型打印，由于是正数，所以原码即补码，利用计算器算出该二进制表示的数是1091567616。所以第三个打印为1091567616。
4.浮点型存储浮点型取出。所以数值不变，第四个打印为9.000000。
总结
所有数据在内存中以二进制形式存储，而整型数据以补码形式表示，以小端存储模式存储。但是浮点数存储根据IEEE754规定，有其特定的存储模式和读取模式。上面的这些练习对于不同数据在内存中如何存储已经做了很好的解释，相信也能很好的帮助大家理解数据在内存中的存储。要理解和运用这些东西需要大量的练习来帮助我们，所以，我们一定要多刷题，多写代码，多去调试，观察内存。只有这样我们才会达到一般人写代码达不到的境界，不是看代码像代码，而是看代码像内存，当我们达到这样的境界的时候，写代码对我们来说已经不是什么难事了。好了，本篇内容到此结束啦，希望大家能给我一键三连多多支持我，我会倍加努力，谢谢大家的阅读！！