C语言数据的存储

文章目录

  • 前言
  • 一.数据类型
    • 整形
    • 浮点数
    • 构造类型
    • 指针类型
    • 空类型
  • 二. 整形在内存中的存储
    • 原码,反码,补码
    • 数据范围
  • 三.大小端字节序存储
    • 大端字节序存储
    • 小端字节序存储
  • 四.浮点数存储规则


前言

这篇文章主要是给大家讲解C语言当中数据的存储,同时也作为我自己的复习与总结。
数据的存储对于学习与理解计算机和编程语言是非常重要的,在学习过程中不能只会刷题,要全面发展。

一.数据类型

大家在C语言当中常见常用的数据类型有:

1. char
2. short (int)
3. int
4. long (int)
5. long long (int)
6. float
7. double

但是数据类型不代表只有这几个,并且也没有大家在平时使用时认为的那么简单,接下来我就会为大家具体讲解,有什么不足或错误之处还请各位斧正。

整形

1. char
2. short (int)
3. int
4. long (int)
5. long long (int)

最值得注意的是char并不是什么单独的字符类型
char仍然是整形,虽然在平时中我们使用char存放的是字符,但是在当中字符是以Ascii码存储的,而并不是字符,所以char算作整形。


以上数据类型还分为有符号与无符号

//绝大部分类型默认为signed
1. char
   signed char , unsigned char
2. int 
   signed int , unsigned int
   ……以此类推

那有符号与无符号的区别在哪呢?
即数据存储的二进制的最高位的意义不一样,总所周知数据在计算机中存储的形式是二进制。
有符号数二进制分为最高位的符号位,与余下的数据位。
符号位是1就代表该数为负数,符号位为0就代表该数是正数

char, short, int,long, long long
char虽然是字符,但是是以ASCII码存的
以上数据类型都分为unsighed ~ 和 signed ~,默认是signed ~(char默认不清楚,看编译器,但是大部分是signed char)
即二进制最高位是符号位还是数据位
符号位:1表示负数,0是正数

char a = 1;
在内存中的存储为:00000001 最高位的0代表它是正数,余下的是数据位
char b = -1;
它的原码为:10000001 最高位的1表示它是负数,余下的为数据位

浮点数

1. float //单精度浮点数
2. double //双精度浮点数
//C99当中使用了long double

在C语言当中浮点数的默认类型是double。
浮点数在内存当中的存储较于整形是复杂很多的,我会在文章的后面仔细讲解,力求通俗易懂

构造类型

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

指针类型

1. int *pi;
2. char *pc;
3. float* pf;
4. void* pv;

空类型

void 表示空类型(无类型)
通常应用与函数类型,函数参数类型,指针类型

二. 整形在内存中的存储

现在我来介绍整形如何在内存当中存储

原码,反码,补码

首先我们知道数据在内存当中是以二进制的形式存储,但就仅仅是将数据翻译成二进制再存储就行了吗?
让我们看一个例子

char a = 1;
char b = -1;
char c = a + b;

a的二进制:00000001
b的二进制:10000001 //注意符号位
a+b:10000010//翻译成十进制为-2,显然不对,所以二进制的存储采用了原码,补码,反码的概念

计算机中的整数有三种表示方法,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”
现在我来介绍到底什么是原码,反码,补码
首先正数的原码反码补码相同,就是直接翻译成二进制

char a = 5;
//原码:00000101
//反码:00000101
//补码:00000101

负数的规则如下

原码:十进制数翻译成二进制
补码:原码符号位不变,其它位依次按位取反
补码:反码加一

char b = -5;
//原码:10000101
//反码:11111010 除最高位符号位其余按位取反
//补码:11111100 反码加一

那这个补码有什么用呢,为什么要这么做呢?

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。

现在我们再来看前面的那个例子

char a = 1;
补码:00000001
char b = -1;
原码:10000001
反码:11111110
补码:11111111
char c = a + b;
则a,b补码相加:100000000 因为char只能存储八个比特即八个二进制位,
所以最高位的1溢出丢失,c的补码为00000000,原码为00000000,即等于零

数据范围

用signed char举例

signed char
00000000  //0
00000001  //1
00000010  //2
00000011  //3
……
01111111 //127  
//以上都是正数,以下是负数,并且是补码,所以我们在计算时要注意
10000000  //此数特殊规定为-128(-127-1)
10000001  //-127
10000010  //-126
……
11111111 //原码10000001 十进制-1,以此类推向上

所以signed char 的取值范围-128~127
-128二进制序列10000000
并且int等其他整形的数据范围都是按照这种方法进行计算
unsigned char 的取值范围计算方法也类似
只不过没有负数所以下面不需要这么复杂的计算,直接计算出十进制即可
范围:0~255

特别注意
负数是可以赋值给unsigned 类型
但是当你打印如果你使用%d进行打印,编译器会认为这个数是有符号数,会按照补码翻译成原码再打印
如果要打印无符号数,就要用%u

三.大小端字节序存储

什么是大小端

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。

为什么有大端小端

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8bit
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。

即多字节的数据就存在数据的高低位存储在地址的高位还是低位

大端字节序存储

把一个数据低位字节处的数据存放在高地址处,把高位字节处的数据存放在低地址处

小端字节序存储

把一个数据低位字节处的数据存放在低地址处,把高位字节处的数据存放在高地址处

以我使用的VS2022来举例
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
是小端字节序存储,a在内存中的存储就是地址由低到高56 34 12 00 的方式存储

四.浮点数存储规则

首先浮点数存储规则和整形是完全不一样的。
规则如下:

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5.5

5.5 十进制浮点数
二进制为101.1
转换为科学计数法为1.011*2^2
前面加上符号位(-1^ 0 便得(-1^ 0 * 1.011 * 2 ^ 2
即上面的S = 0, M = 1.011, E = 2

所以内存中我们只需要存储S,M,E其余的-1和底数2则没有存储的必要
那在内存中怎么分配呢,如图
C语言数据的存储_第1张图片

C语言数据的存储_第2张图片
IEEE(电气和电子工程协会) 754对于E和M还有一些规定:
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);

浮点数存储的规则大致如上,很重要的一点就是浮点数的精度其实是很有限的,当你的小数过多时就无法做到完全储存,会出现误差,所以关于浮点数之间的比较就不能直接使用==(因为你以为存的数和实际内存中存的很可能不一样),而是看着两者差值是否在精度范围内,具体我就不过多赘述,详情有很多博主讲解过,可以去找来研究一番。

本次的分享就到这,谢谢大家,有疑问或者指出我的不足之处欢迎在评论区留言,大家多多交流。

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