C语言——数据在内存中的存储（上）

数据在内存中的存储

1. 数据类型的介绍

之前已经介绍过C语言中的基本数据类型了，主要有：

• 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

注意：C语言中是是没有字符串类型的。

类型的意义：

1. 使用这种类型的数据所开辟的内存空间的大小。
2. 如何看待内存空间的视角。

2. 类型的基本分类

【整形家族】

char :unsigned char signed char

short :unsigned short signed short

int :unsigned int signed int

long :unsigned long signed long

long long :unsigned long long signed long long

注意：C语言规定：sizeof(long)>=sizeof(int)，所以long类型的占用的空间不能确定是4还是8。

【浮点数家族】

float

double

【构造类型】

数组类型

结构体类型

枚举类型

联合类型

【指针类型】

int *pi;

char *pc;

float* pf;

void* pv;

3. 整形在内存中的存储

由于变量的创建是需要空间的，具体使用的空间的大小是根据不同的类型而确定的。例如：

char ch = 0;这里ch变量是char类型，所以就在内存中占用了一个字节。

注意：char类型一般C语言官方没有明确规定是 signed char还是 unsigned char，一般的编译器，例如VS上，char就是signed char 。但是除了char以外，其他的整形都是有明确规定的，例如：int就是signed int。

那么不同的数据类型所能表示的范围是多少呢？我们可以通过以下代码来查看：

#include
#include
#include 
int main()
{
	printf("%d\n", INT_MAX);
	printf("%d\n", INT_MIN);
	return 0;
}

那么这些数据的范围大小是怎么计算出来的呢？这里以char为例：

char占用一个字节：一个字节有8个比特位，每一个比特位只能是0或1，所以char类型在内存中组合方式一共就有256种：

注意：这里图中所有的二进制序列都是代表的是内存中的补码。由此观之，char类型的数据范围就是：-128~127。unsigned char的范围就是0~255。

由此类推：short数据范围就是：-32768~32767。其他的整数数据类型的范围小伙伴们可以自行查阅。

3.1 整形在内存中的存储

计算机中保存整数二进制的方式主要有三种，分别是原码，反码，补码。整形在内存中主要是以补码的形式保存。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”，而数值位则是直接读取即可。

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。

补码：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。

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。使用补码可以将其符号位和数值域进行统一运算。

原因：

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。

对于数据存放内存中存放的是补码我们可以通过编译器进行直接观察。例如：-1的补码是32个1，用16进制表示就是全f。

但我们把例子换成4的时候：

这里发现内存中是有低地址到高地址存放数据的。数据的低权值位是放在低地址处的。这里就要引出新概念了：大端字节序和小端字节序。

4. 大小端介绍

概念：

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。

字节序：以字节为单位讨论数据的存储的。一个char类型只占用一个字节，所以对char类型讨论大小端字节序是没有意义的，这里大小端字节序是针对占用的内存空间大于1个字节的整数数据类型的。

大小端字节序是由电脑内置部件决定的，与编译器的类型无关。这里作者的电脑是以小端字节序存储的。

4.1 练习

Q1

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。

Answer：

#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;
}

以下是错误的写法：

int main()//这种是错误的
{
	int a = 0x11223344;
	char b = (char)a;//无论如何b拿到的都是a的最低字节的数据 
	if (b == 0x44)
		printf("小端!\n");
	if (b == 0x11)
		printf("大端！\n");
	return 0;
}

上面这段代码无论如何b拿到的都是a的最低字节的数据 。

Q2

//输出什么？
#include 
int main()
{
    char a= -1;
    unsigned char c=-1;
    printf("a=%d,c=%d",a,c);
    return 0;
}

char a= -1;//-1的二进制补码是32个1。因为char只有一个字节，存放不下，先发生截断，a中存放的就是8个1。

unsigned char c = -1;//c也是只有1个字节，发生截断，存放的也是8个1。

当 printf("a = %d,c = %d",a,c);执行时，由于%d代表的是有符号打印，所以a和c均会发生整形提升：

先看a的整形提升：a是有符号数，整形提升时补的是符号位，所以就补1，变成32个1，又因为是以有符号的形式打印，而符号位又是1，所以将32个1翻译成原码就是-1，即打印-1.

再看b的整形提升，b是无符号数，整形提升时，最高位补0，所以b就变成了24个0和8个1，又因为是以有符号的形式打印，而符号位是0，翻译成原码就是255。

运行结果：

Q3

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

-128的

原码：100000000000000000000000010000000

反码：111111111111111111111111101111111

补码：111111111111111111111111110000000

由于a只有8比特的空间，所以发生截断，a中存放的是：10000000

在执行 printf("%u\n",a);语句时，因为%u是无符号整形打印：所以a会发生整形提升，由于a是signed char，为有符号类型，整形提升时高位补符号位的数，也就是补1，所以此时a中存放的是：11111111111111111111111110000000，因为是%u无符号打印，所以直接将这串二进制序列看作原码进行打印。

运行结果：

Q4

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

先写出128的补码，再截断存储到a中，a中存放的也是：10000000，与Q3类似。

运行结果：

Q5

int main()
{
	//输出什么？
	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
	return 0;
}

先写出i的

原码：10000000000000000000000000010100

反码：11111111111111111111111111101011

补码：11111111111111111111111111101100

写出j的

补码：00000000000000000000000000001010

接着让这两个补码相加：

11111111111111111111111111101100+

00000000000000000000000000001010=

11111111111111111111111111110110

又因为是%d以有符号整形进行打印，所以将相加之后的二进制的最高位看作符号位。所以这里将相加得到的二进制序列转换成原码：10000000000000000000000000001010，也就是-1。

运行结果：

Q6

//输出什么？
unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)
{
    printf("%u\n",i);
}

这里由于i的数据类型是unsigned int 类型，是恒>=0的，所以I>0这个条件会一直满足，程序发生死循环。

运行结果：发生死循环

Q7

//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;
}

这里arr[i]的值一开始是-1，-2，-3……当arr[i]的值变成-128时，，由本文之前画的图可知，此时再减1就会变成127，接着就是126，125，……1，0.这里strlen计算数组的长度时，会遇到’\0’才停止，而’\0’的ascll码值就是0，即这里数组的长度就是当arr[i]变成0之前的元素的个数，这里由-1到-128，再由-128到127再到1，一共有255个元素。所以结果就是255.

运行结果：

Q8

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

此处由于i的数据类型是unsigned char 其数据范围是[0，255]，始终是大于0的，所以会一直打印，发生死循环。

运行结果：发生死循环