C语言进阶 - 修炼内功：数据在内存中的存储

本章内容知识点很多，非常底层，但都是干货，掌握以后对代码的理解可以提升很大的档次。
程序员人生三境界：

第一境界：看代码是代码
第二境界：看代码是内存
第三境界：看代码还是代码

一、数据类型介绍

char
short
int
long
long long
float
double

1.1 类型的基本归类

注："[]"中的内容代表可以省略

整形家族：

char
unsigned char char===>signed char? 不是
char到底是signed char还是unsigned char是取决于编译器的实现的
常见的编译器下：char就是signed char

short
unsigned short [int] short===>signed short [int]

int
unsigned int int===>signed int

long
unsigned long [int] long===>signed long [int]

---

浮点数家族：

float
double

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构造类型

数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

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指针类型

int* pi;
char* pc;
float* pf;
void* pv;

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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。

---

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二、整型在内存中的存储及大小端介绍

2.1 原码、反码、补码

整数在计算机中有三种表示方法：原码、反码和补码。

对于三种表示方法均有符号位与数值位两部分，正数的符号位为0，负数的符号位为1，如：

对于正整数来说，其原码、反码、补码都相同；对于负整数来说，其原码、反码与补码是不同的。

整型在内存中是以补码的形式进行存储的。

对于负整数，原码、反码、补码的换算规则如下：

原码–>反码：符号位不变，其它位按位取反
反码–>补码：反码加1

如：
-2
原码：10000000000000000000000000000010
反码：11111111111111111111111111111101
补码：11111111111111111111111111111110

那么整型在内存中为什么以补码的形式进行存储呢？

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。

“不需要额外的硬件电路”这句话该怎么理解呢？

我们已经了解了原码->补码的运算规则，同理，补码->原码只需要-1再按位取反即可，因此补码与原码的相互转换的运算过程是相同的，也就不需要额外的硬件电路参与运算。

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2.2 大小端介绍

变量a的16进制与内存中展现出来的16进制并不相同，这是为什么呢？

这就需要引出大小端的概念。

大小端介绍

大端字节序存储：
当一个数据的低字节序的内容存放在了高地址处，高字节序的内容放在了低地址处，这种存储方式就是大端字节序存储。

小端字节序存储：
当一个数据的低字节序的内容存放在了低地址处，高字节序的内容放在了高地址处，这种存储方式就是小端字节序存储。

如：
int a = 0x11223344;
0x11为高字节，0x44为低字节
若a在内存中的存储为44 33 22 11，则为小端存储。
若a在内存中的存储为11 22 33 44，则为大端存储。

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8 bit的char之外，还有16 bit的short型，32 bit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何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。

练习题1

//设计一个小程序来判断当前机器的字节序
int check_sys()
{
	int a = 1;//0x00000001
	//若是小端存储，则是01 00 00 00
	//若是大端存储，则是00 00 00 01
	char* p = (char*)&a;//使用char*类型指针只访问第一个字节
	return *p;
}

int main()
{
	int ret = check_sys();//返回1是小端，返回0是大端
	if (1 == ret)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

//优化
int check_sys()
{
	int a = 1;//0x00000001
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
	int ret = check_sys();//返回1是小端，返回0是大端
	if (1 == ret)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

---

练习题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;
}

这里要补充一下整型提升的概念，当short类型或char类型转换为其他类型时会进行整型提升，即由8位bit位升到更高位。

整型提升时高位补符号位，无符号数整型提升高位补0。

//负数的整型提升
char c1 = -1;
变量c1的二进制位（补码）中只有8个比特位；
11111111
因为整型提升的时候，高位补充符号位，即为1
提升之后的结果是
11111111111111111111111111111111

//正数的整型提升
char c2 = 1;
变量c2的二进位制（补码）中只有8个比特位；
00000001
因为char为有符号的char
所以整型提升的时候，高位补充符号位，即为0
提升之后的结果是
00000000000000000000000000000001

再对上面的代码进行分析。

注：打印时使用的是原码，因此要将补码转换为原码，再将其转换成十进制（上图没有进行补码到原码的转换）（无符号数的原反补相同）。

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练习题3

//输出什么？

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

---

练习题4

//输出结果为？
#include 
#include 
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
		Sleep(500);
	}
	return 0;
}

---

练习题5

//输出结果为？
int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
   {
        a[i] = -1-i;
   }
    printf("%d",strlen(a));
    return 0;
}

unsigned char取值范围：0~255
signed char取值范围：-128~127

无符号char
00000000 -> 0
00000001 -> 1
00000010 -> 2
00000011 -> 3
…
01111111 -> 127
10000000 -> 128
10000001 -> 129
…
11111110 -> 254
11111111 -> 255

有符号char
00000000 -> 0
00000001 -> 1
00000010 -> 2
00000011 -> 3
…
01111111 -> 127
10000000 -> -128
10000001 -> -127
…
11111110 -> -2
11111111 -> -1

---

练习题6

//输出结果为？
#include 
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)
   {
        printf("hello world\n");
   }
    return 0;
}

---

---

三、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

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;
}

运行结果如上，为什么输出结果是这样呢？

num 和 *pFloat 在内存中明明是同一个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大？
要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。

下述内容虽然较多，且理解起来有一定困难，但非常重要。

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。

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。

————该图片引自别处

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：

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）。

掌握上面的内容后，就可以解释前面的题目。

为了方便大家看，这里再引一下题目。

#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;
}

第一个打印结果为9，n为整型，以整型的形式打印出来自然为9，这里没有问题。

第二个打印结果为什么为0.000000呢？

先看第四个打印结果，*pFloat为浮点数，以%f形式打印出来，自然打印出来是9.000000，这个也没有问题。

第三个打印结果为什么为1091567616呢？

到这里本章内容就结束了，内容较多，且非常底层，但对提升你的内功是非常有用的，当你熟悉掌握了上面的内容以后，那么恭喜你，你对代码的理解已经超越了大多数人。