深度剖析数据在内存中的存储（修炼内功~吊打面试官）

前言

(꒪ꇴ꒪(꒪ꇴ꒪ ) 我是Scort
快上车，握好方向盘跟我有一起打天下嘞！
想送给大家一句话：
我们的选择决定我们成为怎样的人,而我们永远有权利去做 对的选择。

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一、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 //双精度浮点型
注意： C语言中没有字符串类型！

类型的基本归类

整型家族

char:
unsigned char
signed char
short:
unsigned short [int]
signed short [int]
int:
unsigned int
signed int
long:
unsigned long [int]
signed long [int]

其中char虽然是字符类型，但是字符类型存储的时候，存储的字符的ascii码是整数

char c1;
signed char c2; 
unsigned char c3;

敲黑板：1、C语言不确定char是有符号还是无符号的？是取决于编译器的实现
2、C语言中规定int等价于signed int、short等价于signed short

这里我们来解释一下什么是有符号，无符号↓

浮点型家族

float
double
long double

构造类型

构造类型(自定义类型)

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

int arr[10]中 arr的类型是int [10],同理char arr3[4]的类型是char [4]
其中int a[]={0,0,0}的类型是int [3]

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。
void 则为“无类型指针”，void 可以指向任何类型的数据。

注意!!!：
1、如果函数没有返回值，那么应声明为void类型
2、如果函数无参数,那么应声明其参数为void。
3、小心使用void指针类型，不能对void指针进行算法操作
4、如果函数的参数可以是任意类型指针，那么应声明其参数为void *
5、void不能代表一个真实的变量

若想更加详细了解void用法可以阅读C/C++中void用法总结进行更深入的研究。

二、整数在内存中的存储

我们知道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决定的

那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

int a = 10;
int b = 20;

我们知道为a分配四个字节的空间，那如何存储呢？接下来了解一下下面的概念↓

原码，反码，补码

计算机中的整数有三种表示方法，即原码、反码和补码。
三种方法均有符号位和数值位两部分，符号位 0 表示“正”， 用1 表示“负”。
负整数的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了。
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。
正数的原码、反码、补码相同。

对整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
为什么呢？

1、使用补码可以将符号位和数值域统一处理
2、加法和减法可以统一处理（CPU只有加法器）
3、补码和原码互相转化，其运算过程是相同的，不需要额外的电路。

举个例子：

    1 - 1;
	1+(-1)  CPU只有加法器
	使用原码计算
	00000000000000000000000000000001
	10000000000000000000000000000001
	10000000000000000000000000000010  算出来是-2

	使用补码的二进制计算
	00000000000000000000000000000001   (1)
	11111111111111111111111111111111   (-1)补码
	100000000000000000000000000000000  只保留32位
	00000000000000000000000000000000   所以为0

	10000000000000000000000000000001   (-1)原码
	11111111111111111111111111111110   (-1)反码
	11111111111111111111111111111111   (-1)补码

由此可见用原码计算1-1并不为零，而用补码可计算出正确值。

接下来我们看看在内存中的存储：

我们可以看见对于a和b分别存储的是补码。 可是有没有觉得不对劲吗？为什么数字是反过来排列的？难道不是应该是 00 00 00 14和 ff ff ff f6 吗？

这里就要引入小端存储和大端存储。

大小端介绍

什么是大端小端？

大端字节序存储：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；
小端字节序存储：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；

对于16进制0x11223344来说，44是最低位的字节数据，33是次低位。

但为什么会有大端小端呢？

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

答：因为必然存在着一个如何将多个字节安排。

小练习

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。

解题思路：通过char*来访问1的首字节判断是否为1

代码实现

int main()
{
	int a = 1;
	char*p=(char*)&a;//要对&a进行类型转化
	if (*p == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else {
		printf("大端\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

举个例子

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;
}

输出的结果的什么呢？

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？跟我来吧

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。

举两个例子：↓

十进制的5.5，转化成二进制就变成了101.1，用科学计数法表示就是 1.011 * 2^2 。那么，按照上面的格式，可以得出S = 0， M = 1.011，E = 2 。
同理十进制的9.0，转化成二进制就变成了1001.0，用科学计数法表示就是 1.001 * 2^3 。那么，按照上面的格式，可以得出S = 0， M = 1.001，E = 3 。

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：

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（修正值），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 。这个是IEEE 754 的死规定（只能死记啦）
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。

举个例子：

发现在内存中的地址果然是0x40b00000

指数E从内存中取出还可以再分成三种情况：
1️⃣E不全为0或不全为1 →(怎么样放怎么样拿出来)

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

2️⃣E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。

3️⃣E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）；

好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。
解释前面的题目：

突发奇想

既然浮点数的储存不能精确存储，那数据会不会不准确呢

因为浮点数存储会有误差，所以不能直接相比较，应该比两者之间的差值是否在允许的范围内

	float f = 0.00001;
	if (f - 0.0)
	{

	}
		
	return 0;

如果同学们还想了解更多细腻的知识，可以看比特蛋哥~深入解刨的视频

如有错误可以指出 想学吗？我教你啊 觉得博主写的还不错的可以一键三连撒