【C语言】数据存储

本章介绍：

1. 数据类型详细介绍
2. 整形在内存中的存储：原码、反码、补码
3. 大小端字节序介绍及判断
4. 浮点型在内存中的存储解析

1. 数据类型介绍

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

类型的意义：

1. 使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）。
2. 如何看待内存空间的视角。

1.1 类型的基本归类

☀️整形家族：

• 1: char:
  unsigned char 无符号整型
  signed char 有符号整形
  char型用来储存字符，但是计算机用数字编码储存字符，如ASCII码值存储的是整数，所以字符和整形均可以表示char型。
  ❗️ C语言没有规定char类型本身是属于无符号还是有符号，这个是取决于编译器的

• 2: short
  unsigned short [int]
signed short [int]

• 3: int
  unsigned int
signed int

• 4:long
  unsigned long [int]
signed long [int]

☀️:浮点数家族：

float
double

☀️:构造类型：

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

☀️:指针类型：

int pi;
char pc;
float pf;
void pv;
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。

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2. 整形在内存中的存储

我们之前讲过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

那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

2.1 原码、反码、补码

☀️:计算机中的整数有三种->整数的二进制表示形式有3种: 原码、反码、补码 。整数在内存中存储的是: 补码(2进制)

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
正整数的原码、反码、补码是相同的
⭐️ 负整数的原码、反码、补码是要计算的

☀️:负整数的三种表示方法各不相同。

• 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。
  ⭐️对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

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举例：int a =-1 在内存中如何存储，
-1的二进制表示方法是 10000000 00000000 00000000 00000001 这是原码
原码 -> 10000000 00000000 00000000 00000001
反码 -> 111111111 111111111 111111111 111111110 (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 -> 111111111 111111111 111111111 111111111 (反码+1就得到补码)
-1在内存中存储的二进制补码就是111111111 111111111 111111111 111111111

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当然他们也是相辅相成的，既可以把原码转换成补码，也可以把补码转换成原码，那如何转换呢？
有两种方法：
1：补码-1 取反
2：取反 +1

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2.2 大小端

☀️ 大小端介绍:：

我们看看在内存中的存储：
我们可以看到对于a存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。
这是又为什么？

⭐️其实这就是大小端午存储方式，他们的存储模式各不相同

• 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。

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举例： int a = 0x11223344 图解

小端：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
大端：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

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。
⭐️:那如何判断当前机器是大端还是小端呢？

• ☀️ 判断大小端:：

#include
int main()
{
	int a = 1;
	char* pa =(char*) & a;
	if (*pa == 0)
		printf("大端存储\n");
	else if(*pa ==1)
		printf("小端存储\n");
	return 0;
}

解析：

因为1的内存显示补码是 0x00 00 00 01
如果是小端存储会是 01 00 00 00
如果是大端存储会是 00 00 00 01
我们只需要用一个char*指针来访问第一个字节即可知道是否是 00还是01。

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2.3 练习巩固

• 练习1 :下面代码输出什么❓

1.
//输出什么？
#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;
}

☀️ 解析：

⭐️ char a = -1
signed char b= -1 的输出原理跟a一样

⭐️ unsigned char c=-1;

->知识补充
有符号的负数如果发生整型提升高位补充符号位，即为1
有符号的正数如果发生整形提升高位补充符号位，即为0
unsigned无符号整形提升:高位补0即可

如对整型提升有不懂的可以看下此博客的 目录操作符->隐式类型转换

->知识补充
有符号char的取值范围是 127 到 -128
unsigned 无符号char的取值范围是 0 到 255
以下图是char有符号类型的取值，存储的是补码

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• 练习2 :下面代码输出什么❓

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

☀️ 解析：

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练习3 :下面代码输出什么❓

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

☀️ 解析：

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• 练习4 :下面代码输出什么❓

 int main()
 {
int i= -20;
unsigned  int  j = 10;
printf("%d\n", i+j); 
}

☀️ 解析：

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• 练习5 :下面代码输出什么❓

int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
	}
}

☀️ 解析：

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• 练习6 :下面代码输出什么❓

int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
   {
        a[i] = -1-i;
   }
    printf("%d",strlen(a));
    return 0;
}

☀️ 解析：

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• 练习7 :下面代码输出什么❓

#include 
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)
   {
        printf("hello world\n");
   }
    return 0;
}

☀️ 解析：

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3. 浮点型在内存中的存储

☀️:常见的浮点数：

3.14159
1E10
浮点数家族包括： float、double、long double 类型。
浮点数表示的范围：float.h中定义

3.1 一个例子

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;
}

输出结果竟然是！！

为什么会是这样的值呢？这就跟浮点数数据存储方式有关系了

3.2 浮点数存储规则

num 和 *pFloat 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。

☀️:详细解读：

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5.0，写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2 。
那么，按照上面V的格式，可以得出S=0，M=1.01，E=2。

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。

十进制的5.5，写成二进制是 101.1 ，相当于 1.011×2^2 。那么，S=1,M=1.011，E=2。
为什么小数点后面的5是.1呢？以下图解

☀️: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（float），它的取值范围为0-255；如果E为11位（double），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：

• 第一种 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

• 第二种 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。

• 第三种 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）；

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☀️ 解释前面的例子：

为什么 9 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？
首先用整数表示取出来，将 9拆分成二进制

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

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？
首先用浮点数表示出来，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。

9.0 -> 1001.0 ->(-1)^0 ×1.001×2^3 -> s=0, M=1.001,E=3+127=130

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等于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 。