深度解析数据在内存中的存储（C语言）

1. 数据类型详细介绍

char // 字符数据类型
short // 短整型
int // 整型
long // 长整型
long long // 更长的整型
float // 单精度浮点数
double // 双精度浮点数

1.1.类型的基本归类

1.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]

2.浮点数家族
float
double

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

4.指针类型
int*
char*
float*
void*

值得注意的是，void* 类型的指针可以接受任何类型的指针，但其不可以解引用操作。

例如：

#include 

int main()
{
	int a = 10;
	char b = 'a';

	void* pa = &a;
	void* pb = &b;

	return 0;
}

5.空类型
void

空类型通常用于函数的返回类型，函数参数，指针类型。

2. 整型在内存中的存储：原码、反码、补码

• 要理解整型如何在内存中的存储，首先我们得了解原码，反码，补码 的规则.

2.1.原码，反码和补码

我们都知道，数据在内存中是以二进制的形式存放的，实际上，在内存中数据的存放存放的是它的补码，那么，什么是补码呢？原码，反码，补码之间是怎样的联系呢？

• 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。

值得注意的是：正数的原码，反码和补码相同，负数的原反补则要遵循以上的规则来转换。

例如：

#include 

int main()
{
	int a = 3;
	`// 原码：00000000000000000000000000000011`  3
	`// 反码：00000000000000000000000000000011`  3
	`// 补码：00000000000000000000000000000011`  3

	int b = -5;
	`// 原码：10000000000000000000000000000101`
	`// 反码：11111111111111111111111111111010`
	`// 补码：11111111111111111111111111111011` ：`在内存中的存储`

	return 0;
}

• 对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
• 为什么呢？
  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。

下面我们来看以下整型在内存当中的存储：

#include 

int main()
{
	int a = 3;
	// 原码：00000000000000000000000000000011
	// 反码：00000000000000000000000000000011
	// 补码：00000000000000000000000000000011
	// 00 00 00 03  （看这里）

	int b = -5;
	// 原码：10000000000000000000000000000101
	// 反码：11111111111111111111111111111010
	// 补码：11111111111111111111111111111011 ：在内存中的存储
	// ff ff ff fb  （看这里）

	return 0;
}

这里内存当中实际上是以整型的补码的十六进制形式存储的，将其转化为二进制形式的确与其补码相同。

3. 大小端字节序介绍及判断

• 看上面整型在内存中的存储可以发现，十六进制数据居然是倒着存放的，这其实就与编译器的大小端有关。

那么什么是大小端呢？？？

3.1.小端

在上面的内存观察中，实际上就是小端存储形式，所以 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。

用图表示则是：

3.2.大端

而大端的存储形式则与小端相反，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。

用图表达则是：

那么为什么要有大小端呢？？？

• 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。

那么我们如何来判断编译器是大端还是小端呢？？？

• 运用大端和小端存储的特性，写一段代码便能知道编译器是大端还是小端。
• 用char*来获取整型值1的第一个字节，若是1,则是小端，若是0则是大端。

看代码：

#include 
// 判断大小端
int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *((char*)&a);
}

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

可以看到，我的编译器vs2022是小端存储模式。

4. 浮点型在内存中的存储解析

我们先来看一段代码例子：

#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;
}

输出结果是：

奇怪了，为什么结果会是这样呢？第二个打印不应该是9.000000吗？？？第三个打印的结果为什么这么大？？？从这里我们可以确定，浮点型在内存中的存储与整型在内存中的存储是不一样的。

• 那么浮点型在内存中是如何存储的呢？？？？？
  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.(-1)^S * M * 2^E
  2.(-1)^S表示符号位，当S=0，V为正数；当S=1，V为负数。
  3.M表示有效数字，大于等于1，小于2。
  4.2^E表示指数位。

• 举例来说：
  1.十进制的5.0，写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2 。
  2.那么，按照上面V的格式，可以得出S=0，M=1.01，E=2。
  3.十进制的-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。
  

• 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：

• 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）；
  好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。

有了这些知识，我们回到刚开始的题目：

为什么 0x00000009 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？

• 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。
  9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
  由于指数E全为0，所以符合上一节的第二种情况。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。
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？

• 首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。
  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 。

写在最后

虽然数据在内存中的存储这一节知识不常用，但是他能让我们更深刻的理解内存和更严谨的写代码，可以说是一个程序员的必不可少基本功。

感谢阅读本小白的博客，错误的地方请严厉指出噢！