数据在内存中的存储
1.数据类型的介绍
数据类型名称 |
数据 |
所占内存空间大小 |
char |
字符数据类型 |
1个字节 |
short |
短整型 |
2个字节 |
int |
整型 |
4个字节 |
long |
长整型 |
4个字节 |
long long |
更长的整型 |
8个字节 |
float |
单精度浮点型 |
4个字节 |
double |
双精度浮点型 |
8个字节 |
类型的意义：
使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）
如何看待内存空间的视角。
1.1类型的基本归类：
整型家族：
①字符在存储的是ASCII码值（为整数），所以在归类的时候，字符属于整型家族
②一般我们使用的short、int、long都默认为signed short、signed int 、signed long，而char到底是signed char还是unsigned char是取决于编译器的，常见的编译器上char==signed char
浮点数家族：
构造类型（自定义类型）：
指针类型：
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.整型在内存中的存储
空间的大小是根据不同的类型决定的。
那数据在开辟内存中到底是如何保存的呢？
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、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”
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：反码加1
对于整型来说：数据存放内存中其实存放的就是补码。
负数原反补码的转换方式：
由于整型在内存占4个字节，每个字节等于8个比特位，每个整型占32个bit,如果全部显示出来太长了，不便于观察，所以用十六进制表示内存。由进制间的转换关系，每4个二进制数可以用1个十六进制数表示，也就是每两个十六进制数表示一个字节。（ox在前面表示该内存编号用十六进制表示）。
#include
int main()
{
int a = 20;
//00000000000000000000000000010100--原码
//00000000000000000000000000010100--反码
//00000000 00000000 00000000 00010100--补码
//ox 00 00 00 14
int b = -10;
//10000000 00000000 00000000 00001010--原码
//11111111 11111111 11111111 11110101--反码
//11111111 11111111 11111111 11110110--补码
//ox ff ff ff f6
return 0;
我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但似乎不是顺序存储的，这是为什么呢？
编译器以什么样的方式把数据拿进去，就以什么样的方式拿出来，由于乱序存储相对复杂（不便于观察）最终被淘汰，只留下大小端存储的方式，内存以什么方式进行存储取决于不同的编译器
2.2大小端介绍
什么是大小端
大端模式（大端字节序存储）：是指数据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（正着存放）
小端模式（小端字节序存储）：是指数据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（逆着存放）
百度2015年系统工程师编程题：
请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序判断当前机器的字节序。
#include
int main()
{
int i = 1;
char* p = (char*)&i;
if (0 == *p)
{
printf("大端存储");
}
else
{
printf("小端存储");
}
return 0;
} 
用char*对i的地址进行截断，char*只能取出一个字节地址的内存。如果是大端存储，char*p取出00，*p=0；如果是小端存储，char*p取出01，*p=1；也可以让i等于其他数，原理相同，改变if()语句判断条件也可以测试出来
还可以用写成函数进行判断
#include
int check_sys()
{
int i = 1;
char* p = (char*)&i;
if (1 == *p)
return 1;
else
return 0;
}
int main()
{
int ret = check_sys();
if (1==ret )
{
printf("小端存储");
}
else
{
printf("大端存储");
}
return 0;
} 
简化版本
#include
int check_sys()
{
int i = 1;
return (*(char*)&i);
}
int main()
{
int ret = check_sys();
if (1 == ret)
{
printf("小端存储");
}
else
{
printf("大端存储");
}
return 0;
} 
2.3练习
eg1:
#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;
}//输出什么？ 大家会觉得上面的代码输出什么？
C语言中的%d表示按signed int格式输入或者输出数据（即输出有符号的十进制整数），%u表示按unsigned int格式输入或者输出数据（即输出无符号十进制整数）。
我们还得知道C语言中的隐式类型转换
C的整型算术运算总是至少以缺省整型类型的精度来进行的。
为了获得这个精度，表达式中的字符和短整型操作数在使用之前被转换为普通整型，这种转换称为整型提升。首先，char形式的整型数字在编译器中以补码存储后，然后截取一个低位字节的内容，然后补1或者0。signed char的整型提升，高位补充符号位；unsigned char的整型提升，高位补0。
#include
int main()
{
char a = -1;
//-1 是整数 32bit位
//10000000000000000000000000000001--原码
//11111111111111111111111111111110--反码
//11111111111111111111111111111111--补码
//截断:11111111
//提升11111111111111111111111111111111--补码
//-1为char类型负数，高位补符号位，即补1
//判断为负数，转化成原码后打印，所以a、b仍然为-1
signed char b = -1;//char一般都为signed 类型
unsigned char c = -1;
//10000000000000000000000000000001--原码
//11111111111111111111111111111110--反码
//11111111111111111111111111111111--补码
//截断:111111111
//提升:00000000000000000000000011111111--补码
//编译器判断为正数，原反补码相同，直接打印，所以c打印出来为255
//c为unsigned char类型，高位补零
printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
//%d用有符号整型打印
return 0;
} 
eg2:
#include
int main()
{
char a = -128;
printf("%u\n", a);
return 0;
}该程序输出什么？ 
#include
int main()
{
char a = -128;
//100000000000000000000000 10000000--原码
//111111111111111111111111 01111111--反码
//111111111111111111111111 10000000--补码
//截断后:10000000
//提升后:111111111111111111111111 10000000--补码
printf("%u\n", a);
//%u以无符号十进制数方式打印，默认所打印的数为正数
//正数的原反补码相同，提升后的二进制数转化十进制数为4294967168
return 0;
} eg3:
#include
int main()
{
char a = 128;
printf("%u\n", a);
return 0;
}//该程序输出什么？ 
#include
int main()
{
char a = 128;
//00000000 00000000 00000000 10000000--补码
//截断:10000000
//提升:11111111 11111111 11111111 10000000--补码
//char类型提升，高位补符号位，即为1
printf("%u\n", a);
//%u以无符号十进制数方式打印，默认所打印的数为正数
//正数的原反补码相同，提升后的二进制数转化十进制数为4294967168
return 0;
} eg4:
#include
int main()
{
int i = -20;
//10000000000000000000000000010100--原码
//11111111111111111111111111101011--反码
//11111111111111111111111111101100--补码
unsigned int j = 10;
//00000000000000000000000000001010--补码
//i+j
//11111111111111111111111111101100--i
//00000000000000000000000000001010--j
//11111111111111111111111111110110--i+j补码
//11111111111111111111111111110101--反码
//10000000000000000000000000001010--原码
//-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
} 
eg5:
#include
int main()
{
unsigned int i;
for (i = 9; i >= 0; i--)
{
printf("%u\n", i);
}
}//该程序的结果是什么？ #include
#include
int main()
{
unsigned int i;
for (i = 9; i >= 0; i--)
{
printf("%u\n", i);
Sleep(1000);//休眠函数
}
//i=0,i-1=i+(-1)
//00000000 00000000 00000000 00000000--补码
//1
//10000000 00000000 00000000 00000001--原码
//11111111 11111111 11111111 11111110--反码
//11111111 11111111 11111111 11111111--补码
//00000000 00000000 00000000 00000000
//11111111 11111111 11111111 11111111--i+(-1)补码
//当存储到unsigned int类型的时i默认为正数，原反补码相同
//11111111 11111111 11111111 11111111--转化十进制时--4294967295
//程序陷入死循环
} 
eg6:
#include
int main()
{
char a[1000];
int i;
for (i = 0; i < 1000; i++)
{
a[i] = -1 - i;
}
printf("%d", strlen(a));
return 0;
}打印结果是什么？ #include
int main()
{
char a[1000];
int i;
for (i = 0; i < 1000; i++)
{
a[i] = -1 - i;
}
printf("%d", strlen(a));
return 0;
//a[i]的值先是-1到-128；然后过了边界之后就是127到0；一共255个字符
//strlen函数计算\0之前字符的个数
} 
eg7:
#include
unsigned char i = 0;
int main()
{
for (i = 0; i <= 255; i++)
{
printf("hello world\n");
}
return 0;
}打印结果是什么？ 
因为unsigned char的取值范围在0-255，所以for循环陷入死循环，无限次数打印“hello world"
3.浮点型在内存中的存储
常见的浮点数：3.14159、1E10等
浮点数家族包括：float、double、long double类型。浮点数表示范围：float.h中定义
3.1浮点数存储的例子
下面这段代码输出什么呢？
#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;
}
在没有输出结果之前，会不会人跟小编一样刚开始默认输出的结果分别为：9、9.000000、9、9.000000，等输出结果后我们发现输出的结果与我们预想的结果不太一样，这是为什么呢？这时候我们就需要了解一下浮点型的存储规则
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差别会这么大？
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，任意一个二进制数浮点数V可以表示成下面的形式：
①(-1)^S*M*2^E
②(-1)^S表示符号位，当S=0,V为正数；当S=1时，V为负数。
③M表示有效数字，大于等于1，小于2.
④2^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，可以得到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，情况复杂
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127；对于11为的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分三种情况
①E不全为0或不全为1
这时，浮点数就采用下面的规则表示，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，即将小数点右移一位，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，补齐到23位00000000000000000000000，则其二进制的表示形式为：
0 01111110 00000000000000000000000 |
②E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。这样做是为了表示正负0，以及接近0的很小的数字。
③E全为1
这时，如果有效数字M全为0，表示正负无穷大（正负取决于符号位s);
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，就变成了0.000000？
首先，将ox00000009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=0000 0000 0000 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*0.0000000000000000000000000001001*2^(-126)=1.001*2^(-146)
显然，V是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数就表示就是0.000000。
再看例题第二部分。
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)^0*1.001*2^3--> S=0,M=1.001,E=3+127=130 |
第一位符号位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等于10000010。所以，写成二进制数形式为，应该是S+E+M,即
0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000 |
这个32为的二进制数，还原成十进制数，正是1091567616
通过学习浮点数的存储规则，可知并不是的所有浮点数都能精确保存，因此浮点数类型又分为单精度浮点数float类型和双精度浮点数double类型。
最后，感谢大家阅读，如有不对敬请指正！