进阶C语言：数据的存储

基于对C语言的初阶学习，对C语言差不多基本了解，但是还是得再深入的进行学习，在进阶学习中更多的偏向于理解，多数都是从内存方面出发，管理内存，操作内存，因此对于C语言进阶学习还得仔细理解，话不多说，本篇正式开始进阶C语言~

1.数据类型的介绍

在前面的学习中我们已经了解大部分的内置类型：

short    //短整型
char     //字符数据类型
int      //整形
long     //长整型
long long //更长的整形
float     //单精度浮点型
double    //双精度浮点型

关于这些内置类型所占储存空间的大小都有过学习

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（是什么类型就会以什么类型的空间进行移动）。

1.1类型的基本归类

整形家族：

char
    unsigned char
    signed char

short
    unsigned short [int]
    signed short [int]

int
    unsigned int
    signed int

long
    unsigned long [int]
    signed long [int]

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;
//（要注意void*类型的指针的使用方法）

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。

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。

那数据在开辟内存中到底是如何存储的？

比如：

int x = 10;
int y = -10;

我们知道为 a 分配四个字节的空间。

那如何存储？

下来了解下面的概念：

2.1原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法，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”，符号位指的是最高位（32位）。

正数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同，需要进行计算。

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，数据在内存中存储时存储的是补码。

那这是为什么呢？

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。

我们可以调试编译器来观察一下：

我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。

这是又为什么？这就需要再来了解一个新的知识了：

2.2大端、小端

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。

简单的说：
大端就是低字节的数据存储高地址
小段就是低字节的数据存储低地址

我们可以通过内存窗口观察我们机器的大、小端：

可以看到小编使用的机器是小端存储模式

那有没有一种方法可以通过代码的方式来直接告诉你你的机器是大端还是小端呢？

代码演示：

#include 
int check_sys()
{
    int i = 1;
    return (*(char*)&i);   //强制类型转化并且解引用就得到了第一个字节的数据
}
int main()
{
    int ret = check_sys();
    if (ret == 1)
    {
        printf("小端\n");
    }
    else
    {
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}

2.3练习

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;
}

2.

//输出结果？
#include 
int main()
{
    char a = -128;
    printf("%u\n", a);  //%u -- 打印无符号的整数
    return 0;
}

3.

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

4.

#include 
int main()
{
    unsigned int i;
    for (i = 9; i >= 0; i--)
    {
        printf("%u\n", i);
    }
}
//代码结果？

5.

#include 
#include 

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

6.

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

3.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数

3.14159
1E10 （1.0*10^10）
浮点数家族包括： float、double、long double 类型。

tips： 整形家族类型的取值范围：limits.h
浮点数家族类型的取值范围：float.h

可以通过下面的代码来进行分析一下：

#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;
}

输出的结果是什么呢？

可以看到当我们以整形的方式存储再以整形的方式进行读取的时候可以正确的得到答案，但是在以整形的方式存储然后以浮点数类型的方式读取的时候出现了问题，那这也就恰恰证明了整形和浮点型在内存中存、取的方式不一样。

3.1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：

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：
用二进制表示5.5

因此在存储浮点数的时候只需要存储S、M、E这三部分，等需要使用的时候拿出来使用就可以了，那S、M、E又该怎么样存储又该怎么样往出拿呢？

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。

3.1.1M的存取方式

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。

对于M的存、取：存储的时候将1省略，只存小数点后面的，在取的时候将1添上

3.1.2E的存取方式

E的存储

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。

E的取出

E的取出可以分为三种：

• 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
（简单的理解为怎么放进去就怎么拿出来）

• 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为全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）

那么我先再来分析上面的代码：

#include 
int main()
{
    int n = 9;
    //000000000000000000000000000001001 -- 9的补码

    float* pFloat = (float*)&n;
    printf("n的值为：%d\n", n);  //9

    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat); // 0.000000

    //当以%f的形式来打印n的时候，就会以浮点数的形式来解读9的补码
    //0 00000000 000000000000000000001001
    //S    E               M
    //E为全0
    //E = 1-127
    //(-1)^0 * 0.000000000000000000001001 * 2^-126
    //0.000000

    *pFloat = 9.0;  //以浮点型的视角来存放浮点型的数字

    //9.0的二进制序列
    //1001.0
    //1.001
    //(-1)^0 * 1.001 *2^3
    //S=0;M=1.001;E=3
    //0 10000010 00100000000000000000000

    printf("num的值为：%d\n", n);  //1091567616

    //以浮点型的视角来存放浮点型的数字，但是打印的时候是用%n的形式来打印
    //因此就需要得到原码又因为最高位是0表示正数，那补码就等于原码，所以就会将
    //01000001000100000000000000000000转化为10进制进行打印

    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);  //9.000000
    //怎么放进去就怎么拿出来就好了

    return 0;
}

关于数据的存储就完结了，本篇重点的需要记忆和理解，最后感谢大家的支持，我们下期再见！