C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)

目录

1.数据的类型介绍

2.整形在内存中的存储

2.1原码、反码、补码

2.2 大小端介绍

3. 浮点型在内存中的存储


1.数据的类型介绍

有符号整数类型:

类型名称 字节数 取值范围
signed char 1 -2^7(-123) ~ 2^7-1(127)
short int 或 short 2 -2^15(-32 768) ~ 2^15-1(32767)
int 4 -2^31(-2 147 483 648) ~ 2^31-1(2 147 483 647)
long int 或 long 4 -2^31(-2 147 483 648) ~ 2^31-1(2 147 483 647)
long long int 或 long long 8 -2^63(-9.2233720368548e+18) ~ 2^63-1(9.2233720368548e+18)

补充:C语言没有规定long就一定是8个字节,long ≥ int就行,所以大小取决于编译器,有的是4个字节,有的是8个字节

无符号整数类型:

类型名称 字节数 取值范围
unsigned char 1 0 ~ 2^8-1(255)
unsigned short int 或 unsigned short 2 0-2^16-1(65 535)
unsigned int  4 0 ~ 2^32-1(4 294 967 295)
unsigned long int 或 unsigned long 4 0 ~ 2^32-1(4 294 967 295)
unsigned long long 或 unsigned long long 8 0 ~ 2^64-1(1.844674407371e+19)

浮点数类型:

类型名称 字节数 取值范围
float 4 -/+3.4e38(精确到6位小数)
double 8 -/+1.7e308(精确15位小数)
long double 12 -/+1.19e4932(精确18位小数)

 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):

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。

2.整形在内存中的存储

要学整形在内存中的存储就必然需要会二进制:

        二进制由0和1组成,首位是符号位0表示正数,1表示负数,后面的每一位都有自己的权重,只取1的值:

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第1张图片

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。

那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的?

比如:

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第2张图片

 我们知道int类型开辟为4个字节的空间,那如何存储如何运算?

来了解下面的概念:

2.1原码、反码、补码

  • 计算机中的整数有三种2进制表示方法,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 正数的原、反、补码都相同。
  • 负整数的三种表示方法各不相同。

 原码:

直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。

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反码。

补码:

反码+1就得到补码。

整形存储的是补码:

为什么?

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。

通过分析,得出以下数据存储的二进制:

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第3张图片

 对不对呢?

调试看一下(二进制太长,编译器给我们看到的是十六进制的数据,但内部存储任然是二进制):

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第4张图片

 我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。

相信大家都发现了

哎!不对呀,数据怎么是倒着放的呀?

这就又涉及到了大小端的概念

2.2 大小端介绍

什么大端小端:

  • 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;
  • 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。

 上图!:

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第5张图片

 这样看来我的编译器就应当是小端了:

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第6张图片

 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。

 这里给大家分享一个小程序,判断自己编译器大小端:

int check_sys()
{
	int a = 1;          // 00000000 0000000 00000000 0000000 00000001
	return *((char*)&a);// 强制类型转化为char一个字节,小端存储倒序那就是00000001在前,
	//读到1返回1
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

3. 浮点型在内存中的存储

补充:浮点数在内存中的存储

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第7张图片

浮点数存储的例子:

猜猜输出什么?

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;
}

 输出结果:

 C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第8张图片

 为什么?

先来了解规则:

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:

这里v就= 你给的数

如:

double b = 5.0(5.0就是v)

  •  (-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。

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 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。

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第10张图片

 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。

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 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。

 有人可能会说这E要是-200呢?

拿8位E举例:只加127这样的话还是负数呀,既然设计成了127就有他的道理,他是8位E(float类型),是有位数限制的。

 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,则其二进存储制表示形式为:

0 01111110 00000000000000000000000

 补充还原步骤:

C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第12张图片 

 

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);

好了,已经了解了内存怎么存储的了,那回到上面的题 :(一下对打印步骤进行了详细的分析仔细看

//理解数据的存储
#include
int main()
{
	//浮点数公式:
	//V = (-1)^S * M * 2^E
	//S= 符号位 , V为正数S=0,V为负数S=1
	//M= 有效数 , 大于1小于2
	//E= 指数位

	//浮点数存储:
	//只会存储 V M E
	//V按规则保存
	// 
	//M举例:
	//M = 1011.0100  向左移动3位 M = 1.0110100 ,M小数点前基本上都是1,存储只存小数点后0110100,
	//拿出时补上1 
	// 
	//E举例:
	//M = 1011.0100  向左移动3位 M = 1.0110100 ,这时E -> 2^E=3,根据移动小数点位数确定E=多少,
	//左移位正数,右移为负数。
	//


	int n = 9;
	//00000000 00000000 00000000 00001001 - 9的补码

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

	printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);  
	//00000000000000000000000000001001 - 9 的原码
	//S     E            M
	//0 00000000 00000000000000000001001 - 因为输入了%f就以为这是浮点数,以浮点数形式看:
	// 
	//  E为全0,浮点数的指数E等于1-127(或者1-1023)即为真实值,M不在加上第一位的1
	// 由此可得:
	//   S                M                  E
	//(-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^-126    (这个数已经无线接近于0)
	//printf打印 : 0.000000 (%f只打印后6位)

	*pFloat = 9.0;
	//1001.0
	//(-1)^0 * 1.001 * 2^3
	//S  E+127      M
	//0 10000010 00100000000000000000000
	//但%d它看作是整形的补码
	//01000001000100000000000000000000
	printf("num的值为:%d\n", n); //1,091,567,616
	// 
	//存储还原
	//0 10000010 00100000000000000000000
	//(-1)^0 * 1.00100000000000000000000 * 2^3
	//1* 1.125 * 8 = 9.0
	printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);//9.0
	return 0;
}

代码结果: 

 C - 数据在内存中的存储(详解,包教包会)_第13张图片

 相信看到这里对你一定是有帮助,制作不易,你们的三连是我最大的动力!

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