C语言中的数据存储

1. 数据类型的详细介绍

1.1 内置类型

C语言中基本的内置类型如下表所示：

代码	含义
char	字符型（1字节） 2^8	整型家族
short	短整型（2字节）2^16
int	整型（4字节） 2^32
long	长整型（8字节）2^64
float	单精度浮点型（4字节）2^32	浮点型家族
double	双精度浮点型（8字节）2^32

之所以有这么多类型，是因为在不同的使用场景下使用不同类型能够有效的节省内存空间，提高代码运行的速度。类型的意义如下：

• 使用这么类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）
• 不同类型的数据在内存空间的视角也不一样

1.2 构造类型

• 数组类型
• 结构体类型 struct
• 枚举类型 enum
• 联合类型 union

1.3 指针类型

•   int* p;
  

•   char* p;
  

•   float* p;
  

•   void* p;
  

1.4 空类型

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。例如：

void print(Stu* tmp)
{
	printf("name:%s\n", tmp->name);
	printf("age:%d\n", tmp->age);
	printf("tel:%s\n", tmp->tel);
	printf("sex:%s\n", tmp->sex);
}

int main()
{
	Stu s = {"张三",20,"16666666666","男"};  
	print(&s);
	return 0;
}

void test(void)
{
    printf("hehe\n");
}

int main()
{
    test();
    return 0;
}

函数不需要返回值时，定义函数为void，但是函数的形参不定义时，调用函数给函数一个参数运行起来也不会报错，这时C语言设计之初比较模棱两可的地方，后期为了规定函数不需要形参，则在函数定义的括号内加上void即可。

2. 整型在内存中的储存：原码、反码、补码

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。

计算机中的有符号数有三种表示方法，即原码、反码和补码。整数分为有符号数和无符号数，有符号数分为正数和负数，正数的原码、反码和补码都相同；负数的不同。

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”，而数值位三种表示方法各不相同。

原码
直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。

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了。

补码
反码+1就得到补码。

---

现开始举例：

int main()
{
	int a = 10;
	int b = -10;
	return 0;
}

利用VS自带的调试功能可以查看变量a和b的内存地址以及在内存中存储的值：

a在内存中的存储如下：

b在内存中的存储如下：

现在开始分析a：（正数的原码、反码、补码都一样）

原码	反码	补码
00000000000000000000000000001010	00000000000000000000000000001010	00000000000000000000000000001010

由图可知变量a在内存中保存的格式为16进制，所以现在将上表转化为16进制：

原码	反码	补码
00 00 00 0a	00 00 00 0a	00 00 00 0a

转化为16进制之后可以看到实际储存的a的值和计算所得是一样的。

现在开始分析b：

原码	反码	补码
10000000000000000000000000001010	11111111111111111111111111110101	11111111111111111111111111110110

由图可知变量b在内存中保存b的格式为16进制，所以现在将上表转化为16进制：

原码	反码	补码
80 00 00 09	ff ff ff f5	ff ff ff f6

可以看出，补码即为实际变量b在内存中储存的形式。

结论：

• 正数的原、反、补码都相同。
• 对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

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。

3. 大小端字节序介绍及判断

• 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（也叫大端字节序存储模式）
• 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（也叫小端字节序存储模式）

所以以上变量a和b在内存中的存储模式为小端存储模式。

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果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，Ox22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。

例题：写出一个程序判断当前计算机的是哪种字节序存储方式。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 

int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;
    //指针类型的意义：
	//1，指针类型决定了指针解引用操作符能访问几个字节：char*p；*p访问了1个字节，int*p；			*p访问4个字节
	//2.指针类型决定了指针+1，-1，加的或者减的是几个字节；char'p；p+1，跳过一个字符，		int'p；p+1，跳过一个整形-4个字节
	if (*p == 1)
	{
		return 1;//1:小端
	}
	else
	{
		return 0;//0:大端
	}
}

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

---

**习题练习1：**判断打印的结果是什么（整型提升）

#include 

int main()
{
    char a = -1;
    signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);
	return 0;
}

//ans:-1,-1,255

//解析：因为整数在内存中都是以补码的形式保存的，所以列出-1的原码、反码、补码。
//char a = -1;
//10000001
//11111110
//11111111
//因为打印的时候是%d，所以需要整型提升，而整型提升是按照符号位来提升的，所以补1，提升后的结果为11111111111111111111111111111111，打印出a=-1

//signed char b = -1;
//10000001
//11111110
//11111111
//同理如上，打印出b=-1

//unsigned char c = -1;
//10000001
//11111110
//11111111
//因为c是无符号char型，所以第一位的1不是符号位，那么整型提升就是在补码前面补24个0，得到  00000000000000000000000011111111，而这个数是正数，三码相同，所以打印出来就是这个数，转化为十进制为255




10000000000000000000000010000000
11111111111111111111111101111111
11111111111111111111111110000000
10000000
11111111111111111111111110000000

**习题练习2：**判断打印的结果是什么（整型提升）

int main()
{
    char a = -128;
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}

//ans:‭4294967168‬
//-128的三码分别为
//10000000000000000000000010000000
//11111111111111111111111101111111
//11111111111111111111111110000000
//由于是char型，所以只能存一个字节，8个bit位，因此a的补码为10000000
//因为打印%u（无符号十进制）,所以整形提升，根据符号位来提升，结果为   11111111111111111111111110000000，又因为打印的是无符号数，所以最高位1不是符号位，因此结果就是11111111111111111111111110000000
//转化为十进制为：‭4294967168‬

3.1 char类型介绍

类型	范围
signed char	-128—>127 规定：10000000直接等于-128，其余的可以通过原、反、补码来求得
unsigned char	0---->255

int main()
{
    char a = 128;
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}

//解析：因为128的三码分别是
//00000000000000000000000010000000
//11111111111111111111111101111111
//11111111111111111111111110000000
//所以char型a的原码为10000000,又因为10000000=-128（规定），所以结果和上一题一样

4. 浮点型在内存中的储存解析

浮点数家族包括：float、double、long double类型。整型和浮点型在内存中的存储方式是不一样的，例如：

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;
}

//结果为：
//n的值为：9
//*pFloat的值为：0.000000
//num的值为：1091567616
//*pFloat的值为：9.000000

关于浮点型数据在内存中的储存，需要了解IEEE 754 协议：

任意一个二进制浮点数V可以表示成下面的形式：
$${\left(-1\right)}^S\times M\times 2^E$$

• 其中：(-1)^S表示符号位。当S=0时，V为正数；当S=1时，V为负数
• M表示有效数字，大于等于1，小于2
• 2^E表示值数位

（图片来自比特科技视频课，如有侵权将删除此内容）

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

例如：

int main()
{
    float a = 5.5;
    return 0;
}

定义了浮点型数据a=5.5，根据以上协议可知：

• 将5.5化为二进制：101.1

• 利用以上公式将5.5的二进制数写成如下形式：
  $${\left(-1\right)}^0\times 1.011\times 2^2$$

• 所以：S=0；M=1.011；E=2

• 按照S、E、M的顺序依次化为二进制存入内存，分别是S=0、E=10000001、M=011
  这里解释一下：E虽然实际为2，但存入内存中都要加上127，因此存进去的为129即10000001；M因为整数部分一定为1，所以这里只存小数部分011

• 所以可得0 10000001 011，又因为float是4个字节32个bit位，所以后面补0，最终得到0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000

• 为了和实际内存中的数据做对比，将其化为16进制格式（4个二进制bit位等于1个16进制bit位）可得：40b00000

为了验证计算的结果，在VS中查看a在内存中的值，如下图所示：

计算结果与实际内存结果一致，且储存方式为小端字节序。

---

接下来看看如何将内存中的浮点数取出来：

指数E从内存中取出可以分成三种情况：

• 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：00111111000000000000000000000000

  PS： 0.5如何转为为二进制的0.1
  $$0\times 2^0+1\times 2^{-1}$$

• 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）

---

最后来解析一下本节最开始的代码结果：

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;
}

//结果为：
//n的值为：9
//*pFloat的值为：0.000000
//num的值为：1091567616
//*pFloat的值为：9.000000

解析：

• 9转变为二进制为：00000000000000000000000000001001，所以打印整型直接就是9

• 接着要打印浮点型的n，那么直接将00000000000000000000000000001001视作浮点型数据在内存中的存储格式，这里E为全零，所以E=-126,M=0.00000000000000000001001，所以打印结果为0.00000000000000000001001×2^(-126)，保留小数点后6位，打印结果为0.000000

• 9转化为浮点型为9.0，9.0转化为二进制为1001.0，即有
  $${\left(-1\right)}^0\times 1.001\times 2^3$$
  S=0、M=0.001、E=3，保存至内存中的形式为01000001000100000000000000000000，要打印整型数据，那么直接将01000001000100000000000000000000当作补码，又因为是正数，原码、反码、补码相同，打印结果为1091567616

• 最后打印浮点型数据，因为利用指针解引用操作将n改为了浮点型的数据，所以打印浮点型数据自然就是9.000000