数据在内存中的存储

专栏：C语言
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前言

一、数据类型的介绍

相信大家已经知道C语言基本的内置类型

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//双精度浮点数

那么数据类型的意义是什么呢？

解决了数据‘存’和‘取’的问题
使用数据时开辟空间的大小以及如何看待内存空间的视角

1.1数据类型的分类

整形家族：

char:
	signed char
	unsigned char
short:
	signed short
	unsigned short
int:
	signed int
	unsigned int
long:
	signed long
	unsigned long

浮点家族：

float
double

构造类型：

数组类型：int arr[10]
结构体类型：struct
枚举类型：enum
联合类型：union

指针类型：

int *p
char *p
float *p
void *p

空类型：

void表示空类型
通常用于函数的返回值类型

二、整形在内存中是如何存储的

创建一个变量就是要在内存中开辟部分空间，来存放变量，这个空间的大小是根据变量的类型来解决的。
我们知道，int占4个字节，那么，int类型的数据是如何存储的呢？

2.1源码，反码，补码

想知道整形是如何在内存中存储的，那就得先了解什么是源码，反码，补码。
在计算机中，有三种二进制的形式，来表示整形的存储，即源反补码。
源码就是整形数据的二进制表示形式。
要注意：在计算机中，高位表示正负。

0为正，1为负

反码就是源码按位取反，符号位不变。
在反码的基础上＋上1就能得到补码。
那么，对于整形来说：数据在内存中存放的就是补码。
例如：

#include 

using namespace std;

int main()
{
	int a = 1;
	//源码 00000000 00000000 00000000 00000001
	//反码 00000000 00000000 00000000 00000001
	//补码 00000000 00000000 00000000 00000001
	return 0;
}

从图中可以看出：正数的源码，反码和补码是相同的。

我们再来看看负数的

#include 

using namespace std;

int main()
{
	int a = -1;
	//源码 10000000 00000000 00000000 00000001
	//反码 11111111 11111111 11111111 11111110源码安慰取反得到反码
	//补码 11111111 11111111 11111111 11111111反码＋1得到补码
	return 0;
}

注：4个1等于f

负数的原码反码补码是不相同的，需要计算才能算出负数的补码。

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那么，为什么整形在内存中存放的是补码呢？

在计算机系统中，数值统一用补码来表示和存储，这是因为使用补码符号位和数值位进行统一处理。同时，加法和减法也能统一进行（CPU只有加法器），补码和源码的转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

#include 
using namespace std;
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;
	int c = a - b;
	return 0;
}

在这个代码里，`c = a - b = 1 - 2`，可以看成 `1 + （-2）`
1的补码  00000000 00000000 00000000 00000001
-2的源码 10000000 00000000 00000000 00000010
	反码 11111111 11111111 11111111 11111101
	补码 11111111 11111111 11111111 11111110
把1的补码与-2的补码相加得到：11111111 11111111 11111111 11111111
高位表正负，转换为源码的时候，高位是不需要改变的，转换之后得到：10000000 00000000 00000000 0000001
这个值传唤为十进制就是-1，看是不是与1-2的答案一样？

正数和无符号数的原码反码补码相同，负数的补码需要计算，方法是，源码按位取反得到反码，然后反码＋1得到补码。

三、大端和小端

3.1大小端的介绍

什么是大端小端？
大端模式：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。
小端模式：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。

那么，如何写代码去验证计算机的存储模式是大端或者小端呢？

#include 

using namespace std;

int main()
{
	int a = 1;
	//补码：00000000 00000000 00000000 00000001
	char* pa = (char*)&a;//char是一个字节，利用char可以访问第一个字节的元素，如果第一个字节的元素是1，那就是小端，如果是0，那就是大端，因为是验证大小端模式，所以不要用那些不好判断的数字去进行，
	if (*pa == 1)
	{
		cout << "小端";
	}
	else
	{
		cout << "大端";
	}

	return 0;
}

从图片中，可以看出，该计算机的存储模式是小端模式，再看看代码结果

为什么会有大端和小端呢？

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8bit。但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32bit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。

四、浮点型在内存中是如何存储的

浮点数指的就是小数：3.14，1.1等，**1e5也是浮点数，表示的是1*10^5，**浮点数的范围在float.h中定义，整型的范围在limits.h中定义。

4.1浮点数存储

#include 

using namespace std;

int main()
{
	int a = 9;
	float* pa = (float*)&a;
	printf("a的值为：%d\n", a);
	printf("*pa的值为：%f\n", *pa);
	*pa = 9.0;
	printf("a的值为：%d\n", a);
	printf("*pa的值为：%f\n", *pa);
	return 0;
}

输出的结果是什么呢？

让我们往下看，就能知道，为什么会是这个结果了。

4.2浮点数存储规则

a和*pa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？
要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。
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3.0，写成二进制是11.0，相当于1.1×2^1。
那么，按照上面V的格式，可以得出S=0，M=1.1，E=1。
IEEE754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。
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（unsignedint）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，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：

2.1E不全为0or1

让E的值-127或1023，得到真实值，再把有效数字M前加上第一位的1.

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:
00111111000000000000000000000000

2.2E全为0

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。

2.3E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）；

总结

当你看到这里的时候，就能解决前面的浮点例题了。
对数据在内存中的存储到这里，希望对大家有所帮助。