进阶C语言---数据在内存中的存储
文章目录
- 前言
- 一、数据类型详细介绍
-
- 1.类型的意义
- 2.类型的基本归类
- 二、整形在内存中的存储
-
- 1.原码、反码、补码
- 2.大小端介绍
- 3.练习
-
- //代码1
- //代码二
- //代码三
- //代码四
- //代码五
- //代码七
- 三、浮点型在内存中的存储
-
- 1. 一个例子
- 2.浮点数存储规则（规定）
前言
历时将近两个月，完成了我的C语言的初阶学习和练习，接下来的东西需要对C语言有了基本的认识，才可以更好的看懂，学懂.
当然今天我们要讲的内容分为四点
- 数据类型详细介绍
- 整形在内存中的存储：原码、反码、补码
- 大小端字节序介绍及判断
- 浮点型在内存中的存储解析
一、数据类型详细介绍
前面我们已经学习了基本的内置类型：
char //字符数据类型 //1
short //短整型 //2
int //整形 //4
long //长整型 // 4/8
long long //更长的整形 //8
float //单精度浮点数 //4
double //双精度浮点数 //8
//C语言有没有字符串类型？
并且学习了他们在所占储存空间的大小
1.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
2.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 //一个数组元素个数不同就代表一个类型
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;
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
//第一个void 表示函数不会返回值
//第二个void 表示函数不需要任何参数
void test(void)
{
printf("hehe\n");
}
int main() {
test();
return 0;
}
二、整形在内存中的存储
我们之间说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=10;
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：
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”.
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。
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。
乘法和除法也是利用这个电路的。
我们看看在内存中的存储：
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.大小端介绍
什么是大端小端：
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。
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。
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）
int check_sys()
{
int i = 1;
//0x 00 00 00 01
//小端存储 01 00 00 00
//大端存储 00 00 00 01
//我们将i强制类型转化为char*
//解引用访问是否为1
//小端返回1 大端返回1
if (*(char*)&i == 1)
return 1;
return 0;
}
int main() {
int ret=check_sys();
if (ret)//小端返回1 大端返回1
{
printf("小端\n");
}
else
{
printf("大端\n");
}
return 0;
}
容易得到VS2022是小端存储。
3.练习
//代码1
//输出什么？
int main()
{
char a = -1;
//10000001
//11111110
//内存中存储11111111
signed char b = -1;
unsigned char c = -1;
printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
//%d输出需要进行整形提升
//a
//整形提升后11111111111111111111111111111111
//转化为原码输出即为-1
//b也是同理
//c在这里要注意因为是无符号char型
//进行整形提升后00000000000000000000000011111111
//%d打印的结果就是255
return 0;
}
//代码二
int main()
{
char a = -128;
//10000000000000000000000010000000 原码
//11111111111111111111111101111111 反码
//11111111111111111111111110000000 补码
//因为char只有1个字节所以要对数据进行截断
//10000000 --截断后
printf("%u\n", a);
//打印要进行整形提升char是无符号类型
//提升后11111111111111111111111110000000
//%u进行打印，是按照无符号数打印
//上面这个数是个非常大的数字
return 0;
}
//代码三
int main()
{
char a = 128;
printf("%u\n",a);
return 0;
}
//代码四
int main() {
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;
}
//代码五
int main() {
unsigned int i;//无符号数值的int>=0
for (i = 9; i >= 0; i--) {
printf("%u\n", i);//该循环i>=0恒成立 所以是一个死循环
//i减到负数的时候，但是将他当为无符号数来使用
}
return 0;
}
下面循环还在一直进行下去
//代码六
int main()
{
char a[1000];//char的存储范围为[-128,127];
int i;
for (i = 0; i < 1000; i++)
{
a[i] = -1 - i;
//所以当i为127时数值还是原数值
//当i=128时
//a[i]=-129
//10000000000000000000000010000001 原码
//11111111111111111111111101111110 反码
//11111111111111111111111101111111 补码
//进行截断
//01111111 ->127
//同理a[i]=-130
//截断后 ->126
//当i=255时; a[i]=0;
//然后又继续循环下去
}
printf("%d", strlen(a));//打印'\0'之前所有的字符数
return 0;
return 0;
}
结果显然为255
//代码七
unsigned char i = 0;
int main()
{
//因为无符号char的取值范围为[0,255]
//i的范围在无符号的char类型内
//所以该循环也是个死循环
for (i = 0; i <= 255; i++)
{
printf("hello world\n");
}
return 0;
}
下面当然也还有很多"hello world"!
三、浮点型在内存中的存储
常见的浮点数：
3.14159
1E10
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
头文件里面分别包含了每个类型的取值范围等等
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;
}
这是为什么呢？
接下来我们就要了解浮点数存储规则
2.浮点数存储规则（规定）
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。
可能大家看这规则也看不懂，说实话我刚开始也不懂
接下来 我举个例子便于大家理解
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。
回到例题
为什么以%f打印出来是0呢
之后%d打印 又是那么大的数字呢
9在内存中的存储
9---- 00000000000000000000000000001001
%d打印就正常为9
但是
对于浮点数的存储
9---- 0 00000000 00000000000000000001001
S=0 E=0-127=-127 M由上可知为0.00000000000000000001001
这是一个接近于0的数
所以第二个打印出来的结果为0
接下来
利用解引用将pFloat值改为9.0;
此时就是利用浮点数的存储方式存入内存
9.0的二进制表示为1001.0 转化为指数->1.001*2^3
S=0; M=001 E=2+127=129;
对应到内存中 0 10000010 00100000000000000000000
用%d打印就是一个 很大的整数
最后一个打印因为是由浮点数存进去，浮点数取出来所以结果还是9.000000