数据在内存中存储的现象

本文作者：大家好，我是paper jie，感谢你阅读本文，欢迎一建三连哦。

内容专栏：这里是《C知识系统分享》专栏，笔者用重金(时间和精力)打造，基础知识一网打尽，希望可以帮到读者们哦。

内容分享：本期会对C语言中的数据存储进行具体讲解，各位看官姥爷快搬好小板凳坐好叭。

：不要998，只要一键三连，三连买不了吃亏，买不了上当(写作不易，拜托拜托）。

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目录

本章介绍重点

数据类型的介绍

类型的基本归类

整型在内存中的存储

原码，反码，补码

⚾大小端介绍

浮点数在内存中的存储

有一个例子

浮点数存储规则

解析前面的题目

 分析代码

总结

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本章介绍重点

1. 数据类型的详细介绍

2. 整型在内存中的存储：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

数据类型的介绍

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

类型的意义：

使用这个类型开辟的内存空间的大小（大小决定了使用范围）

如何看待内存空间的视角

类型的基本归类

整型家族：

 注意：因为字符存储的时候，存的是ASCII码值，是整型，所以归类为整型家族

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）

通常用于函数的返回类型，函数的参数，指针类型。

整型在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的，空间的大小是由不同的类型决定的。接下来我们谈谈数据在内存中开辟后是如何存储的？

比如 int a = 10；我们知道a分配到了4个字节的空间。但它是如何在内存中存储的呢？

下面我们来了解一下原码反码补码的概念：

原码，反码，补码

计算机中有三种2进制的表现形式：原码，反码，补码。

三种表示方法都有符号位和数值位，首位为符号位，后面的都是数值位。符号位都是用0表示正数，1表示负数。

正数的原码反码补码都相同，但负数的原码反码补码都不相同

负数的原码反码补码计算方式：

原码： 直接按照正负数的形式翻译成二进制位就是原码

反码：符号位不变，原码的其他位取反

补码：反码加一

对于整型来说：数据存放内存中其实是存放的补码。为什么呢？

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）补码和原码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

这里给大家举例分析加深印象：

正数：

 负数：

 我们可以发现变量在内存中存储的是补码，但是顺序又不对。

 这是为什么呢？

⚾大小端介绍

什么是大小端：

大端模式：数据的低位保存在内存的高地址位，数据的高位保存在内存的低地址位

小端模式：数据的低位保存在内存的低地址位，数据的高位保存在内存的高地址位

为什么有大小端：

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。

下面有一道百度的笔试题，是设计一个小程序来判断机器的字节序，我们一起来看看吧

我们设计是思路是用指针取出a的第一个地址，在用char解引用取出第一个字节地址里的内容和a的低位比较看是不是相等，是则小端，反之大端。 

浮点数在内存中的存储

常见的浮点数有两种：3.14159  1E10, 浮点数家族包括：float，double， long doudle类型。浮点数表示的范围：float.h中有定义

有一个例子

这是一个有关浮点数和整数存储的例子，大家可以猜猜答案是多少？

#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;
}

我想，应该有很多人会认为：

n的值为：9   

*pFloat的值为： 9.000000   

num的值为： 9

*pFfloat的值为：9.000000

让我们运行看看是不是这些答案叭！

 咦，我们发现这些答案和我们猜的有极大的区别，这是为什么呢？我们缓一下，先来了解下面的知识，再回过头来看这个例子叭。

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 。

画图举例：

 IEEE 754中规定：

对于32位的浮点数，最高位的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M

对于64位的浮点数，最高位的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。

画图举例：

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 ，则其存入的二进制表示形式为: 

00111111000000000000000000000000

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 ）

解析前面的题目

为什么9变成浮点数就成了0.000000

首先，9的2进制是00000000000000000000000000001001，因为n是整数，将n强制类型转化给*pfloat，就相当于整数n的二进制被当做了浮点数在内存中的储存方法。我们将它拆分，得到s=0,E=00000000，M=00000000000000000001001。因为E全为0，所以当我们用科学计数法将它取出来就是 (-1)^0 * 0.00000000000000000001001*2^(-127). 我们可以发现它是一个无限接近小数的数，所以%f打印出来就是带有6位小数的0.000000

为什么n的值打印后是一个特别大的数

首先浮点数9.0的二进制是1001.0， 科学计数法为：（-1)^0*1.001*2^3,    s=0  M=1.001 E=3

所以在9.0内存中存储就是：0 0000010 00100000000000000000000.这时以%d打印就是把9.0在内存中储存的数据当成了补码，还原成10进制打印出来。我们用计算机算一下发现它的十进制就是17,825,792

 分析代码

#include 

int main()
{
	int n = 9;
	//00000000000000000000000000001001
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	//s=0,E=00000000，M=00000000000000000001001
	//(-1)^0 * 0.00000000000000000001001*2^(-127) = 无穷小
	*pFloat = 9.0;
	//0 0000010 00100000000000000000000
	printf("num的值为：%d\n", n);
	//%d打印就是把9.0在内存中储存的数据当成了补码，还原成10进制打印出来
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

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总结

到这里我们对数据存储的深挖就结束了，通过这一次想必大家对数据存储的认识又提高了一个层次。下一章我们将会对指针进行更加细致的分析。