深度解析数据在内存中的存储(C语言)

文章目录

  • 1. 数据类型详细介绍
    • 1.1.类型的基本归类
  • 2. 整型在内存中的存储:原码、反码、补码
    • 2.1.原码,反码和补码
  • 3. 大小端字节序介绍及判断
    • 3.1.小端
    • 3.2.大端
  • 4. 浮点型在内存中的存储解析
  • 写在最后

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;
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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:

深度解析数据在内存中的存储(C语言)_第1张图片

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:

深度解析数据在内存中的存储(C语言)_第2张图片

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。
  • 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;
}

深度解析数据在内存中的存储(C语言)_第3张图片

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:

深度解析数据在内存中的存储(C语言)_第4张图片

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。
    深度解析数据在内存中的存储(C语言)_第5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。
    深度解析数据在内存中的存储(C语言)_第6张图片
  • 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!

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