【C语言】深度剖析数据在内存中的存储

一、数据类型详细介绍

1、数据类型介绍

（1）基本的内置类型

//内置类型就是C语言自带的类型

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

注：C语言中没有字符串类型。

（2）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。

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2、类型的基本归类 

（1）整型

char
        unsigned char
        signed char

short
        unsigned short [int]
        signed short [int]

int
        unsigned int
         signed int

long
        unsigned long [int]
        signed long [int]

（2）浮点数

float
double

（3）构造类型

> 数组类型
> 结构体类型 struct
> 枚举类型 enum
> 联合类型 union

（4）指针类型

int* pi;
char* pc;
float* pf;
void* pv;

（5）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

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二、整型在内存中的存储

⚪原码、反码、补码

计算机中的有符号数有三种表示方法，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”，而数值位三种表示方法各不相同。

⚪原码

直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。

⚪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了。

⚪补码

反码 +1 就得到补码。

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 正数的原、反、补码都相同。

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对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

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为什么在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储呢？

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。

在内存中的存储： 

 

 

补码：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110 （-10的补码）

           f        f       f       f       f        f       f      6（-10的十六进制）

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，  这是为什么呢？

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三、大小端介绍

1、什么是大小端

• 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。

 

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2、为什么会有大端和小端呢？ 

        这是因为在计算机系统中，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  8bit  的  char  之外，还有  16bit  的  short  型， 32bit  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果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。

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下面这段代码会输出什么呢？ 

#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;
}

 

帮助理解： 

注：char 是 signed char 还是 unsigned char。C 语言并没有规定，取决于编译器(大多数编译器下是 signed char)。

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四、浮点型在内存中的存储

1、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。 ​​​​​​​​​​​

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2、标准规定 

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（了解即可）：

• (-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，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。

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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）；

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浮点数存储的例子：

int main()
{
    int n = 9; //以整型的视角放入
    float *pFloat = (float *)&n;
    printf("n的值为：%d\n",n); //以整型的视角拿出
    printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat); //以浮点型的视角拿出

    *pFloat = 9.0; //以浮点型的视角放入
    printf("num的值为：%d\n",n); //以整型的视角拿出
    printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat); //以浮点型的视角拿出
    return 0;
}

 

 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？

 分析如下：