深度刨析数据在内存中的存储

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博客专栏：进阶C语言

1.数据类型介绍

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

short, long, long long后的int可省略。
有些小伙伴可能会有疑问，在C语言中有字符串类型吗？ 答案是没有。

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.提供了看待内存空间的视角。

1.1 类型的基本归类

整型家族：

char
	unsigned char
	signed char
short
	unsigned short [int]
	signed short [int]
int
	unsigned int
	signed int
long
	unsigned long [int]
	signed long [int]
long long
	unsigned long long [int]
	signed long long [int]

1. C语言规定：short == signed short, int、long、long long也一样，
   但char是否是signed char ，C语言标准中并没有规定，取决于编译器。
2. unsigned是无符号型，signed是有符号型，这两种类型的区别是数据的二进制的最高位是否为符号位。

[int]是什么意思呢？

意思是这里的int可以省略。

字符类型为什么会被归类到整型家族呢？

因为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。

浮点型家族：

float
double
long 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

数组类型为什么也是自定义类型呢？

如：int arr[10] ; arr的类型是int [10] ,数组的大小改变了，数组类型也就改变了，又因为数组的大小是我们自己设置的，所以数组类型也是自定义类型。

指针类型：

int* pi;
char* pc;
float* pf;
void* pv;//无具体类型的指针

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。
如：void test(void) { } , void* pv;

2.整形在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。
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 = 20;
int b = -10;

我们知道编译器为 a 分配四个字节的空间。
那到底如何存储？
接下来我们一起来了解下面的概念：

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”。
正数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同。 区别如下：

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。
那是为什么呢？

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；

例如：

//1-1 -> 1+(-1)
00000000000000000000000000000001//1的补码
10000000000000000000000000000001//-1的原码
11111111111111111111111111111110//-1的反码
11111111111111111111111111111111//-1的补码
//1和-1的补码相加得
100000000000000000000000000000000
//共33位
//因为整型只有4字节，32位，所以最高位溢出丢失，结果得到 0，结果正确。

//若用原码来计算，则结果为
10000000000000000000000000000010
//相加得-2,则结果错误。

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。

我们来看看在内存中的存储：

小知识

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f  (0 ~ 15)
15 -> 1111  所以十六进制中的1位等于二进制中的4位，
十六进制中的2位 == 二进制中的8位 == 一字节
例如：
int a = 10;
因为整型是4字节，32bit, 所以10在内存中是这样存储的：00000000000000000000000000001010
又因为二进制太长了，为了方便我们查看，编译器显示的的是十六进制0x0000000a

我们看上面的图片，图片中在内存中的数据的顺序为什么是反的呢？
那就要学习下面的知识了。

2.2 大小端介绍

什么是大端小端：

大端（存储）模式：全称大端字节序存储模式，是指数据的低位字节处的数据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：全称小端字节序存储模式，是指数据的低位字节处的数据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。
如图：

为什么讨论顺序是以字节为单位？

因为内存的基本单位是一字节，一个地址管理一个内存单元（一字节），只有大于一字节才有顺序这一说。

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8bit。但是在C语言中除了8 bit的char之外，还有16 bit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。

3.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14
1E10 == 1.0 * 10^10（科学计数法）
浮点数家族包括：float、double、long double 类型。
浮点数表示的范围：在float.h中定义，可以找到这个头文件查看, 如下所示：

3.1 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;
}

3.2 浮点数的存储规则

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。

IEEE 754规定：

对于32位的浮点数（float），最高的1位是符号位S，接着的8位是指数E，剩下的32位为有效数字M。

对于64位的浮点数（double)，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。

注意：1. 浮点数没有原码、反码、补码。只有整型有原码、反码、补码。
------ 2. 有几位有效数字，这种类型的精度就到几。

IEEE 754对有效数字M有一些特别规定

前面说过1≤M<2, 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，就可以保存23位小数，就等于可以保存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，这样就用无符号整型表示出了负数，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。

有些小伙伴可能会有疑问，如果一个一个数的指数E是负数，并且加上中间数仍为负数怎么办？

出现了这种情况，那就说明这个数的范围超出了当前这个数的浮点型范围，这个数需要更大的浮点型。

3.3指数E从内存中取出的三种情况：

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。

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。

注意：对于一些浮点数，它不能通过二进制准确的表示出来。比如：0.14，0.2，0.3等就无法用二进制数字来精确地表示出来，这就导致了部分浮点数在内存中很难被精确保存。

3.3一个例子的解释

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;

取出浮点数：
让我们回到一开始的问题：为什么以单精度浮点型指针pFloat的视角打印9；得到的结果却是0.000000？
首先先将整型9拆分，因为在内存中存储的都是二进制，所以拆分的是9的二进制。

9 —> 0 00000000 00000000000000000001001

我们是站在pFloat的视角打印的9，在pFloat的视角下地址都是float*，地址在内存中管理的空间上的数据是float类型的。我们要取出打印这个单精度浮点数，就要找到第1位符号位S，后面的8位指数E，最后的23位有效数字M。
由上面的二进制可知：S = 0，E = 00000000，M = 00000000000000000001001
因为E为全0，所以指数E应该为1 - 127 = -126，有效数字M不在是1.xxxxx…的小数，而是还原为0.xxxx…的小数。
因此，浮点数V就写成了：

V = (-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^(-126)

很显然，V是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000

存储浮点数：
我们再看例题的第二部分，pFloat指向的数据（n的地址所管理的空间上的数据）已经被改为了float类型数据9.0。
但在int 类型的n的视角下，还把float类型的9.0当作整型，以整型的形式打印9.0。
我们先来思考一下9.0在内存中的32位二进制是什么样的？

9.0 -->1001.0 --> (-1)^0 * 1.001 * 2^3 --> S = 0, M = 1.001, E(十进制） = 3 + 127 = 130

所以，二进制中第一位符号位S = 0，有效数字位为001后面补0，凑满23位，
指数E为130的二进制 = 10000010 。

9.0的二进制即为：0 10000010 00100000000000000000000

转换成十进制正是 1091567616 。

4.总结

好啦，这就是本篇文章的所有内容了，本篇文章主要详细讲述了整型和浮点型数据在内存中的存储，两者有很大差异。最后，感谢大家的阅读，点赞收藏加关注，C语言学习不迷路！