进阶C语言-深度剖析数据在内存中的存储

1.数据类型介绍

通过前面的学习，我们已经学习了基本的内置类型：

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   //单精度浮点数
double   //双精度浮点数

类型的意义：

1. 使用这个类型开辟内存空间的大小。
2. 如何看待内存空间的视角。

1.1类型的基本归类

整形家族：

//字符在内存中存储的是字符的ASCII码值，ASCII码值是整型，所以字符类型归类到整型家族。
//unsigned-无符号的
//signed-有符号的
char
    unsigned char
    signed char
short
    unsigned short
    signed short
int 
    unsigned int
    signed int
long 
    unsigned long
    signed long

浮点数家族：

float
double

构造类型（自定义类型）：

数组类型
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）
通常用于函数的返回类型、函数参数、指针类型。

void test(void)
{
//第一个void表示test函数不会返回任何值
//第二个void表示test函数没有参数
}

2.整型在内存中的存储

✅我们之前了解到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。
计算机能够处理的是二进制的数据，整型和浮点型数据在内存中也都是以二进制的形式进行存储的，想要了解清楚整型在内存中的存储，我们就需要了解一下原码、反码和补码。

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。

✅注意：对于整型来说，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。

2.2大小端介绍

#include 
int main()
{
	int a = 20;
	//原码、反码、补码：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0100
	//                    0    0   0    0     0    0     1   4
	//0x 00 00 00 14
	return 0;
}

在前面的示例中，变量a储存的是补码，但是顺序有点不一样，这是为什么呢？这里我们就需要了解一下大端小端。
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。

我们也可以通过一下程序来进行测试：

#include 
int check_sys()
{
	//01 00 00 00
	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;
}

2.3练习

练习1：

#include 
int main()
{
	char a = -1;
	//原码：10000000000000000000000000000001
	//反码：11111111111111111111111111111110
	//补码：11111111111111111111111111111111
	//11111111-a
	signed char b = -1;
	//11111111-b
	unsigned char c = -1;
	//11111111-c
	printf("a = %d,b = %d,c = %d\n", a, b, c);
	//%d是十进制的形式打印有符号的整数
	//a整型提升:11111111111111111111111111111111
	//反码：    10000000000000000000000000000000
	//补码：    10000000000000000000000000000001
	//b整型提升:11111111111111111111111111111111
	//反码：    10000000000000000000000000000000
	//补码：    10000000000000000000000000000001
	//c整型提升:00000000000000000000000011111111（正整数原码、反码、补码一致）为255
	return 0;
}

✅运行结果：

练习2：

#include 
int main()
{
	//原码：10000000000000000000000010000000
	//反码：11111111111111111111111101111111
	//补码：11111111111111111111111110000000
	//10000000-a
	//整形提升：11111111111111111111111110000000
	char a = -128;
	//%u-打印无符号整数
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

✅运行结果：

练习3：

#include 
int main()
{
	//原码：00000000000000000000000010000000
	//反码：01111111111111111111111101111111
	//补码：01111111111111111111111110000000
	//10000000-a
	//整形提升：11111111111111111111111110000000
	char a = 128;
	//%u-打印无符号整数
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

✅运行结果：

注意：

练习4：

#include 
int main()
{
	int i = -20;
	//原码：10000000000000000000000000010100
	//反码：11111111111111111111111111101011
	//补码：11111111111111111111111111101100
	unsigned int j = 10;
	//补码：00000000000000000000000000001010
	//补码运算结果：11111111111111111111111111110110
	//反码：        11111111111111111111111111110101
	//原码          10000000000000000000000000001010结果为-10
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}

✅运行结果：

3.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

3.1浮点数存储规则

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 1.01×10² 。
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。
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（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，2¹⁰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）

好啦，关于数据在内存中存储的知识点到这里就结束啦，后期会继续更新C语言的相关知识，欢迎大家持续关注、点赞和评论！❤️❤️❤️