深度剖析数据在内存中的存储

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1.数据类型的介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：

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
//C语言有没有字符串类型？

以及他们所占存储空间的大小。

有了这些类型是不是就足够了呢？

其实不是啊，所以我们后面才有了更多的结构体之类的介绍

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）。

类型不同，它们的取值范围就不同，范围不同就使得我们在使用的过程中更加灵活。我们想用多大的空间，就可以用一个多大的类型

2. 如何看待内存空间的视角。

如果是一个int类型的变量，里面放了一个值，那就认为内存中放了一个int类型的数据，因为它里面是一个int类型的空间，不管里面放的什么，都认为它放的是一个int类型的数据。如果是一个float类型的变量，不管里面放的什么，都认为放的是一个float类型的数据。

注意：字符存储和表示的时候用的是它的ASCLL码值，ASCLL码值是整数，所以字符类型也归类到整形家族

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]

不管是char,short,int,long类型，它们都分为两种类型，一种是unsigned,一种是signed。这又是什么意思呢？实际上我们在表示数值的时候，它是有正有负的。比如：+10，-10，温度也有正负。但是我们表示年龄，年龄只能有正数，没有负数。所以我们发现在写代码的时候，有一些数是有正有负的，有一些数只有正数。所以任何去表达它呢？在C语言中用signed表示有符号的数，里面可以存正数也可以存负数，用unsigned表示无符号的数，里面只能存正数。一般情况下默认都是有符号的数，想要表示无符号的数必须加unsigned。（char除外，取决于编译器）

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;

指针中存放的是地址，有了地址之后可以通过地址找到对应的内存空间，指针类型决定了后面我们以什么样的节奏来访问内存空间。

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。
那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的？
比如：

int a = 20;
int b = -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，二进制的最高位就是符合位，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位
正数的原、反、补码都相同。
负整数的三种表示方法各不相同。

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。

int main()
{
	int a = 20;
	//
	//00000000000000000000000000010100 - 原码
	//00000000000000000000000000010100 - 反码
	//00000000000000000000000000010100 - 补码
	//00000014

	int b = -10;
	//
	//10000000000000000000000000001010 - -10的原码
	//11111111111111111111111111110101 - -10的反码
	//11111111111111111111111111110110 - -10的补码
	//FFFFFFF6
	//内存中存储的都是二进制数据
	return 0;
}

我们看到将b的补码转换成16进制，和我们在内存中存储数据是一样的，所以内存中存储的是补码，并且是倒着存放的。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
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？

2.2 大小端介绍

我们发现a和b在内存中存放的数据是倒着放的，这又是什么意思呢？
我们说数据的存放是有大小端的。

假设我们想把a存到内存中，我们会怎样存呢？
我们可能把高位字节的数据存放在低地址处，也可能把高位字节存放在高地址处，这就是我们说的大端小端两种方式

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。

为什么有大端和小端：

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8 bit。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。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， 0x22 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。

2.3 百度笔试题

百度2015年系统工程师笔试题：
请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。（10分）

我们可以通过数字1来判断大小端，取它在内存中存储的第一个字节，若是1则为小端存储，若是0则为大端存储

#include 
int check_sys()
{
 int i = 1;
 return (*(char *)&i);
}
int main()
{
 int ret = check_sys();
 if(ret == 1)
 {
 printf("小端\n");
 }
 else
 {
 printf("大端\n");
 }
 return 0;
}

2.4 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.
#include 
int main()
{
    char a = -128;
    printf("%u\n",a);
    printf("%d\n", a);
    return 0;
}

3.
int main()
{
	unsigned int num = -10;
	//10000000000000000000000000001010
	//11111111111111111111111111110101
	//11111111111111111111111111110110
	//
	printf("%d\n", num);
	printf("%u\n", num);

	return 0;
}

4.
int i= -20;
unsigned  int  j = 10;
printf("%d\n", i+j); 
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数

5.
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;
}

i 永远小于255，死循环了

有符号 char 范围 -128~127，无符号 char 范围0 ~ 255

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。
浮点数表示的范围：float.h中定义

3.1 一个例子

浮点数存储的例子：

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;
}

输出的结果是什么呢？

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。
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，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）；

好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。

解释前面的题目：
下面，让我们回到一开始的问题：为什么 0x00000009 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？
首先，将 0x00000009 拆分，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，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。

9.0 -> 1001.0 ->(-1) ^ 01.0012 ^ 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 。

结尾

这些就是我给大家分享的关于数据在内存中的存储的知识啦，希望我们都能有所收获
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