C进阶⚡- 01数据在内存中的存储形点

我知道的只是“肉随便加”和“要加多少加多少”　这些词。    ———— 路飞

阶段2目标：

此阶段开始大量刷题，多多参加编程类竞赛，在实战中锻炼编程思维和本领，并且要在不断复习夯实初阶的基础上，刻意地进行编程思维的训练。学无止境！为了精进编程，可以去学习一切为他服务的课程！

目录

1.本章重点

2.数据类型的介绍

3.类型的基本归类

3.1整型家族

3.2浮点数家族

3.3构造类型

3.4指针类型

3.5空类型

 4.整型在内存中的存储

总结：

5.大小端介绍

5.1什么是大端小端呢？

5.2为什么会有大端小端？

 6.练习

 6.浮点型在内存中的存储✳(        ！！常回顾！！      )

6.1浮点数存储的经典栗子

 6.2浮点数在计算机内部的表示方法

6.2.1浮点数的“存”：

 6.2.2浮点数的“取”：

进阶课程第一课，坚持住，持续输出！！

---

1.本章重点

1. 数据类型详细介绍
2. 整形在内存中的存储：原码、反码、补码
3. 大小端字节序介绍及判断
4. 浮点型在内存中的存储解析
 

2.数据类型的介绍

前面阶段  C语言的初阶  我们已经学了C语言的基本内置类型以及所占存储空间大小，如下是各个内置类型：

整型：
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

浮点型：
float //单精度浮点数
double //双精度浮点数

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。

比如：

int a = 10;
float b = 10.0f;

虽然都是10，但是看待的视角是不一样的，一个从整数整型上看，一个从小数浮点型上看。

3.类型的基本归类

3.1整型家族

char
unsigned char
signed char

short
unsigned short [int]//int可以省略
signed short [int]//int可以省略

int
unsigned int
signed int

long
unsigned long [int]//int可以省略
signed long [int]//int可以省略

long long
unsigned long long [int]//int可以省略
signed long long [int]//int可以省略

就拿char举例子：

	//char
	char a = 0;
	signed char b = 0;
	unsigned char c = 0;
    //char是  有符号？   无符号？
	//取决于编译器， 大部分情况下的char是signed char，同理：
	//short  int  long  都是有符号的 
	//即： 
	//int     <==>    signed int
	//short   <==>    signed short
	//long    <==>    signed long

那么char类型的有符号数和无符号数有什么区别呢？举个栗子，深入思考下：

对于有符号的char，打印结果是-1，而对于无符号的char，打印结果还是255；那是因为，unsigned char 面对char b = 255这1个字节的数，会把符号位的1看成普通位的1，纳入运算，模拟过程如下：

unsigned char类型的数字255，占一个字节，转换成补码形式的二进制位：11111111

注意，第一个1是纳入计算的1，即：11111111（补码），为正数，补码反码原码都一样，所以打印也是255

当然，通过有符号和无符号，我们也可以来推算出他们所对应的取值范围：（拿char举例）

所以有符号的char型表示的范围是-128~127 ，同理，无符号的char型：

 无符号的char型可表示的范围是：0~255

3.2浮点数家族

float
double

3.3构造类型

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

3.4指针类型

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

3.5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。

我们看到test()和test(100)得到的结果一样，那是因为我们test()函数里并没有接收类型，所以100并没有起作用。那如果我们就限定没有接受类型就不准传任何参数该怎么办呢？———— 这个时候就用到了空类型

 4.整型在内存中的存储

我们之前讲过一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。那数据在所开辟的内存中到底是如何存储的呢？
比如：

int a = -1;

通过观察内存我妈知道，十六进制中一个f表示4个1，而4对ff则表示32个1，其对应a的补码是32个1。

我们知道为 a 分配四个字节的空间。 那如何存储？     先来了解一下下面的概念叭~~

原码，反码，补码：

计算机中的有符号数有三种表示方法，即原码、反码和补码。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。

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。

注意：

1. 正数的原码反码补码都相同。
2. 负数的求解按上述过程。

整数数据存放内存中其实存放的是二进制的补码。那么，为什么一定是按照补码来存储的呢？，接下来我们就来谈谈其中的奥妙所在：

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。
 

来来来，我们来解释一下：

1.可以将符号位和数值域统一处理                              2.加法和减法也可以统一处理

使用补码，而不使用原码，可以将符号位和数值位一起进行运算。使用方便，加法减法可以用同样的步骤处理。

3.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

原码—>补码的过程：1.符号位不变，其余位按位取反    2. 反码+1 

补码—>原码的过程：1.符号位不变，其余位按位取反    2. 反码+1      同样适用！！！！！！！！！！！！！

所以就不需要额外的电路来处理其他运算规则。

总结：

我们推荐补码——>原码的转化在理解上采用：补码-1——>反码           反码（符号位不变，其余位按位取反）——> 原码

而实际上，计算机硬件中的转化是和  原码——>补码  的转化规则相同（   可以使用一套硬件电路完成转化   ）。

不相信？？那我们来验证一个：

明白了原码反码补码的相关知识，我们再回到刚开始的问题上，来看看内存中的存储：

我们将变量a设置成一个十六进制的数字，方便我们在内存中观察（内存默认的是16进制表示），但是我们却发现顺序有点不对劲。 这是又为什么？

5.大小端介绍

5.1什么是大端小端呢？

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。

 图示：在内存中主要分为这两种字节存储顺序

5.2为什么会有大端小端？

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。

 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）

思路：

想要知道当前机器的字节序，只需要取出第一个字节来进行判断就行了。

代码1：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
int main()
{
	int a = 1;
	char* ret = (char*)&a;//int*
	if (*ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
		printf("大端\n");

	return 0;
}

 代码2：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;
	return *p;

}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");

	return 0;
}

 代码3：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;

}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");

	return 0;
}

 6.练习

下面程序输出什么？

#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;
}

注释解释：

#include 
int main()
{
	char a = -1;
	//10000000000000000000000000000001 - a的原码
	//11111111111111111111111111111110 - a的反码
	//11111111111111111111111111111111 - a的补码
	//整型截断(char型是一个字节，所以截断)
	//11111111 
	//整型提升（由于打印的时候是%d的形式，此形式是int型）
	//11111111111111111111111111111111 - a的补码
	//11111111111111111111111111111110 - a的反码
	//10000000000000000000000000000001 - a的原码
	//即：-1
	//signed char b = -1;同理

	signed char b = -1;


	unsigned char c = -1;
	//整型截断
	//11111111 
	//整型提升
	//由于是无符号的char，所以第一位的1不是符号位，即：前面补0，而不是1
	//00000000000000000000000011111111 - a的补码(原码，反码)
	//所以
	//255

	printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);//-1, -1, 255

	return 0;
}

 下面程序输出什么？

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

注释解释：

#include 
int main()
{
    //-128~127
	char a = -128;
	//10000000000000000000000010000000 - a的原码
	//11111111111111111111111101111111 - a的反码
	//11111111111111111111111110000000 - a的补码
	//整型截断
	//10000000
	//整型提升
	//11111111111111111111111110000000 - a的补码
	//由于要打印%u，所以上述a的补码也被看作a的原码，反码

	printf("%u\n", a);//4294967168
	return 0;
}

下面程序输出什么？

#include 
int main()
{
	//-128~127
	char a = 128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

可能你会认为这道题和上一道题是一个意思，都是一样的做法没有丝毫新意？也可能你会认为，这道题目有点让人纳闷的地方，char类型只能允许存储的范围是-128~127，而char a = 128会发生什么事情呢？？能放进去？？

来来来~，我来一一解释一下，然后再针对这个题目再来试想结果：

首先，这道题目和上一道题目异曲同工，然并没有创新点，而且照着那个题目做法依旧可以，题目放这呢，哎~，我就是玩（dog.jpg）

再一个就是，char a = 128（这才是我想通过这道题目想告诉你的），会让我们产生疑惑，其实压根没必要纠结噻~，char的确允许存放的范围是-128~127，但是并不妨碍我们把很大的数放在变量a里，我们待会只需要整型截断，把很大的数变成了-128~127，所以，你可能要更新一下认识了：

char类型 （-128~127）并不是只允许在这之间的数字来对变量赋值，超过这个范围，会发生截断，依旧可以用很大的数来赋值（不会报错），只不过整型截断后值会再次介于-128~127之间

注释解释：

#include 
int main()
{
	//-128~127
	char a = 128;
	//00000000000000000000000010000000 - a的原码
	//01111111111111111111111101111111 - a的反码
	//01111111111111111111111110000000 - a的补码
	//整型截断
	//10000000
	//11111111111111111111111110000000 - a的补码
	//由于要打印%u，是无符号数，不用再翻译成原码了，所以上述a的补码也被看作a的原码，反码

	printf("%u\n", a);//4294967168
	return 0;
}

总结（注意点）：

（视角）

打印的时候是%d，那么是有符号数，补码再转换成原码。

打印的时候是%u，那么是无符号数，补码第1位不用看成符号位了，也纳入运算，补码就是原码。

如下程序会报错（error?warning？）吗？

解释：

那么既然unsigned int类型定义的变量b仅仅起到提供一个空间，-10转换成二进制作为内容放在空间里，那么unsigned的作用体现在哪呢？？

————————————

 下面程序输出什么结果？

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

解释：答案是255

strlen()函数就看他啥时候遇见\0（ASCII码值也是0），那么a[i]不可能能数字会超出这个范围，而是会产生在这个范围内循环，直到遇见0位置才停下。

循环图：

下面程序输出结果是什么？

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

 答案：死循环打印hello world

因为unsigned char的范围是0~255，在i=0，加加到255，都是打印一行，共打印255行，而超过255以后，i++，仍然会整型截断，变成范围内的值，和上一题一样，构成一圈，导致死循环打印。

 6.浮点型在内存中的存储✳(        ！！常回顾！！      )

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。（类似于想要知道int的最大值范围，需要敲头文件#include;然后输入INT_MAX，光标移至INT_MAX，按住Ctrl）

6.1浮点数存储的经典栗子

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;
}

动动脑筋想一想，这个会输出什么结果呢？？

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。

 6.2浮点数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。

不理解？？那我举个例子先：

 IEEE 754规定： 对于32位的浮点数(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。

6.2.1浮点数的“存”：

(    “存”  ——>   M的修正值，E的修正值    )

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。

比如：

int main()
{
	float f = 5.5f;
	//101.1
	//(-1)^0*1.011*2^2
	//S = 0
	//M = 1.011 
	//E = 2   +127  存储 
	//按照单精度浮点数存储模型：
	//S(1bit)    E(8bit)      M(23bit)
	//0         10000001    011 00000000000000000000
	//即：01000000101100000000000000000000 
	//0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000 - 二进制
	//4      0    B   0    0     0    0    0
	//40B00000 - 十六进制


	//通过内存验证一下

	return 0;
}

 
6.2.2浮点数的“取”：

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或者不全为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）。

下面，让我们回到一开始的问题上面：（   注释解释   ）

int main()
{
	int n = 9;
	//00000000000000000000000000001001
	//由于n本身就是int类型，所以n的值就是   9
	 
	//而*pFloat是浮点型，他会把变量看成浮点数形式存储的
	//0 00000000 00000000000000000001001
	//E全为0 
	//E直接就是1 - 127 = -126
	//M = 0.00000000000000000001001
	//0.00000000000000000001001*2^-126   接近于0的很小很小的数 
	

    //而%f默认精确到小数点后六位，所以打印   0.000000

	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);//9
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//0.000000


	*pFloat = 9.0;
	//浮点数形式存储
	//1001.0
	//(-1)^0*1.001*2^3
	//S = 0 
	//E = 3      3 + 127 = 130
	//M = 1.001 
	//0 10000010 00100000000000000000000
	//即：
	//01000001000100000000000000000000
	//因为%d打印有符号数，而这个是正数，原码反码补码相同，用程序员计算机算出1000001000100000000000000000000的值：  1091567616

	//那么以浮点数的形式存，再用浮点数形式取，当然是   9.0
	printf("num的值为：%d\n", n);//1091567616
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.0

	return 0;
}

进阶课程第一课，坚持住，持续输出！！