【C】数据在内存中的存储(拿与放)

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前言

本片博客总结整形数据与浮点型数据在内存中的存储方式，区它们的不同，做到理解数据在内存中的拿和放！

一.对于数据类型的归类

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. 不同的类型，看待内存空间的方式视角不同，

整形家族	构造类型（自定义类型）
char (1个字节) 字符的本质是ASCII码值，是整形 unsigned char signed char char定义一个变量，它是unsigned还是signed是标准未定义的，取决于编译器！ short (2) unsigned short [int] signed short [int] int (4) unsigned int signed int long (4/8) 规定sizeof(long)>=sieeof(int)即可 4 (32位平台) / 8 (64位平台) unsigned long [int] signed long [int] long long (8 ,在C99中支持) unsigned long lopng [int] signed long long [int]	数组类型 比如定义一个数组int arr[5] 那么这个数组类型为int [5] 结构体类型 struct 枚举类型 enum 联合类型 union
浮点数家族	指针类型
float double long double(C99)	int* pa; char* pb; float* pc; void* pd;
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。

//第一个void 表示函数不会有返回值
//第二个void 表示函数不需要传任何参数
void test(void)
{
	printf("hehe\n");
}

int main()
{
	test();
	return 0;
}

二.整形在内存中的存储

1.计算机中数据的存储形式。

计算机中数据是以二进制的方式存储的，其中整数的二进制有三种表示方法，即原码、反码和补码！
对于原反补之间的转换，可以看另一篇博客:数制间的转换，原反补！
对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
原因如下：

• 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。

简单来说计算机中使用补码进行加减运算，符号位和数值位可以一视同仁进行运算从而得出正确的结果，而直接用原码计算结果便会有所出入，比如我们要计算1-1，计算机中计算的其实是1+(-1):

那么这里先看一下内存中存储的数据！

不难发现，这里对于整型在内存中存储的是补码，而且观察到数据在内存中是倒着存的,其实这就是后面要介绍的小端字节序存储！

2.对于大小端的介绍

什么是大端小端：

• 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，简单记忆：按顺序存；
• 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，简单记忆：倒着存。
  

为什么会有大小端：

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8 bit。

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。

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。

3.理解练习！

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：
我们定义一个char变量并给其初始化为1,如果其是大端存储，那么我们在内存中看到的数据应该是00 00 00 01；如果是小端存储，内存中的数据是01 00 00 00；所以，我们这里只需要取出这个变量在内存中第一个字节的内容判断与1是否相等，相等是小端，不相等是大端！

#include 
int check_sys()
{
	int i = 1;
	return (*(char*)&i);
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

看下面的代码输出什么

#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;
}

运行结果：
解析：
要真正理解这一小段代码，需要对整形提升和unsigned/signed char的取值范围有一定的理解认识！关于整形提升可以看一看我另一篇博客整型提升

对于unsigned/signed的取值范围的理解

char类型是一个字节(8bit)，对应8位二进制数

short类型双字节(16bit)，对应16位二进制数

对于其他整形类型一样的的理解。
下面对代码进行分析：
首先 ，-1默认是int类型的
原码：10000000000000000000000000000001
反码：11111111111111111111111111111110
补码：11111111111111111111111111111111
截断
11111111
将其补码存储到char类型的变量中要进行截断，也就是只能将末8位11111111放到对应的空间中；
在vs编译器器中，char是有符号类型，等价于signed char
%d打印一个有符号的整数，需要进行整形提升
对于a和b，按符号位进行提升：
11111111111111111111111111111111（补码）
10000000000000000000000000000001（原码）= -1
对于c，无符号提升前面直接补0：
00000000000000000000000011111111（补码)
整形提升后，符号位为0，原码即补码 = 255

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

运行结果：
解析：
10000000000000000000000010000000
11111111111111111111111101111111
11111111111111111111111110000000
截断
10000000 - a
整形 提升
11111111111111111111111110000000(补码)
%u打印一个无符号整数
11111111111111111111111110000000(原码) = 4294967168
%d打印一个有符号的整数
10000000000000000000000010000000 (原码) = -128

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

和上面那个差不多，感兴趣自己看一看！

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

运行结果：
解析：
按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数
11111111111111111111111111101100(-20的补码)
00000000000000000000000000001010(10)
11111111111111111111111111110110 (相加得到的补码)
10000000000000000000000000001010 (转换成原码) = -10

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

运行结果：死循环
解析：
这里的i是无符号整形的，i>=0恒成立！
当循环至i=0时，再减一是 -1

10000000000000000000000000000001(原码)
11111111111111111111111111111110(反码)
11111111111111111111111111111111(补码)
此时的补码解析为一个非常大的整数！

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

运行结果：
解析：
strlen 是求字符串的长度，关注的是字符串中’\0’（数字0）之前出现多少字符
代码中是要将整形i的值放到a[i]中，这里千万要注意a[i]是一个char类型的元素，而有符号的char取值范围是 -128~127；

每次循环a[i]都减去1，-1，-2…-128,127,126,1,0,然后再继续这个过程，直到循环结束；
而strlen在读取第一个0前面的字符个数，也就是128 + 127 = 255。

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

运行结果：死循环
解析：
unsigned char 类型的取值范围是0~255，i <= 255恒成立。

#include 
#include
int main()
{
	if (strlen("abc") - strlen("abcdef")>0)
		printf(">\n");
	else
		printf("<\n");

	return 0;
}

运行结果：
解析：
strlen函数的的返回值其实是size_t,也就是unsigned int；

其实可以理解这个函数的设定，毕竟一个字符串的长度总不会是负数吧

三.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数

3.14159
1E10(这是浮点数的科学计数法形式，相当于1.0*10^10)
浮点数家族包括：float、double、long double(C99)
浮点数表示的范围：在float中定义
对应提一下整形表示的范围：在limits.h中定义
我们可以使用Everything这个小工具查找对应文件查看

浮点数的存储规则

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。

还有要注意的是在某些情况下，浮点数数是无法精确存储到内存当中的，只能无限接近

比如要存储浮点数9.6，想一下，能不能精确的表示出来？这里就会有一些精度的丢失，

同时，由于flott、douub能存储的小数位有限也就造成了一些精度丢失！

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。
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23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）；

下面是浮点数存储的例子：

注意以什么样的方式将数据放进去，再以相同的方式将数据取出来，才能得到正常的数据；否则，取出来的数据和原来的大概率是不同的！

#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;
	return 0;
}

运行结果：
解析：
第一次打印数据是以整形的方式放进内存中的，再以整形的方式取出来，所以是没有问题的！

第二次打印，为什么 0x00000009 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？这里是将整形空间中的数据以取浮点数数的方式取出来！
首先，将 0x00000009 拆分，得到第一位符号位s=0，后面8位的指数 E=00000000 ，最后23位的有效数 字M=000 0000 0000 0000 0000 1001 。

由于指数E全为0，因此，浮点数V就写成：
V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^{(-126)=1.001×2}(-146)
显然，V是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000。

再看例题的第二部分。
此时变量n空间中以浮点型的存储方式存入了数据9.0 。

第三次打印将数据以整形的方式取出来。
请问浮点数9.0，如何用二进制表示？还原成十进制又是多少？

那么，第一位的符号位s=0，有效数字M等于001后面再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130， 即10000010。
所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即 0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000
这个32位的二进制数，还原成十进制，正是 1091567616 。

第四次打印数据是以整浮点型的方式放进内存中的，再以浮点型的方式取出来，也是是没有问题的！

结语

各位小伙伴，看到这里就是缘分嘛，希望我的这些内容可以给你带来那么一丝丝帮助，可以的话三连支持一下呗！！！ 感谢每一位走到这里的小伙伴，我们可以一起学习交流，一起进步！！！加油！！！