【C语言】数据在内存中的储存
目录
一 数据类型
1 数据类型介绍
2 类型的基本归类
a 整形家族
b 浮点数家族
c 自定义类型（构造类型）
d 指针类型
e 空类型
二 整形在数据中的储存
1 原码 反码 补码
2 大小端介绍
a 大小端规则
b 设计一个小程序来判断当前机器的字节序
3 对有符号和无符号整数的理解
4 练习
a. 例1
b. 例2
c. 例3
d. 例4
e. 例5
f. 例6
g. 例7
三 浮点数在数据中的储存
1 什么是浮点数？
2 浮点数在内存中的储存的一个例子
3 浮点数在计算机内部的表示方法
4 解释之前的例子
一 数据类型
首先我们了解一下数据类型
1 数据类型介绍
char //字符数据类型 1个字节
short //短整型 2个字节
int //整形 4个字节
long //长整型 4\8个字节 /*C语言规定 long的字节只要sizeof(long）> = sizeof(int) 就好了 所以4 或者 8*/
long long //更长的整形 8个字节
float //单精度浮点数 4个字节
double //双精度浮点数 8个字节C语言可没有明确规定字符串类型 字符串可以用字符数组表示
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
a 整形家族
char// 字符储存的时候 储存的是ASCII码值 是整形 所以归类的时候放在整形数组
unsigned char
signed char
short
unsigned short[int]
signed short[int]
int
unsigned int
signed int
long
unsigned long[int]
signed long [int]
b 浮点数家族
float
double
c 自定义类型（构造类型）
> 数组类型 元素类型不一样 数组类型也不一样
> 结构体类型 struct
> 枚举类型 enum
> 联合类型 union
d 指针类型
int *pi;
char *pc;
float* pf;
void* pv;
e 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
二 整形在数据中的储存
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
比如 int a = 20 int b = -10 作为整形 他们是怎么储存的？
1 原码 反码 补码
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。
正数的原、反、补码都相同
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 要额外的硬件电路如果你不理解或者不知道怎么用原码 反码 补码 可以去我之前写的一篇博客看看(3条消息) C语言—移位操作符，原码，反码，补码，二进制移动_Watermelon Y的博客-CSDN博客
int main()
{
int num = 10;//创建一个整型变量，叫num，这时num向内存申请4个字节来存放数据
//4个字节-32比特位
//00000000000000000000000000001010-原码
//00000000000000000000000000001010-反码
//00000000000000000000000000001010-补码int num2 = -10;//
//10000000000000000000000000001010 - 原码
//11111111111111111111111111110101 - 反码 符号位不变 其他按位取反
//11111111111111111111111111110110 - 补码 反码加1
//
return 0;
}
2 大小端介绍
a 大小端规则
什么大端小端：
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
这是小端机器 根据内存地址的显示 可以证明 低位放低地址 高位放高地址 所以我们看到是倒着储存的
b 设计一个小程序来判断当前机器的字节序
取地址的时候是从低地址开始取的
#include
int main()
{
int a = 1;
//用二进制表示 00000000000000000000000000000001
//用16进制表示 0x 00 00 00 01
//如果是小端 那低位放低地址
//如果是大端 那低位放高地址
char* p = (char*)&a;
if (*p == 1)
{
printf("小端\n");
}
else
printf("大端\n");
return 0;
}
改进
#include
int check_sys()
{
int a = 1;
return *(char*)&a;
}
int main()
{
int ret = check_sys();
if (ret == 1)
printf("小端\n");
else
printf("大端\n");
}
3 对有符号和无符号整数的理解
4 练习
a. 例1
//输出什么？
#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;
}
//输出 -1 -1 255
int main()
{
char a = -1;
// 1原码 10000000000000000000000000000001
// 反码 11111111111111111111111111111110
// 补码 11111111111111111111111111111111
// 因为是char类型 只要八个比特网 所以截断
// a--> 11111111
//整形提升 高位补充符号位 因为是%d打印
// 补码 11111111111111111111111111111111
// 反码 11111111111111111111111111111110
// 原码 10000000000000000000000000000001 值为-1
signed char b = -1;
// b的原理和a一样的
unsigned char c = -1;
//11111111 -c
//整型提升 char 是无符号的 所以高位补0
//00000000000000000000000011111111 补码 原码 值为255
//无符号数 是正数 所以原码反码补码都一样
printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
return 0;
}对整形提升不懂的 可以去我博客 (3条消息) 表达式求值中的隐式类型转换和算术转换_Watermelon Y的博客-CSDN博客
b. 例2
//输出什么？
#include
int main()
{
char a = -128;
printf("%u\n", a);
return 0;
}
//输出 4294967168
int main()
{
char a = -128;
//10000000000000000000000010000000 原码
//11111111111111111111111101111111 反码
//11111111111111111111111110000000 补码
// 截断
//10000000
//整形提升
//11111111111111111111111110000000
printf("%u\n", a);
//11111111111111111111111110000000 打印无符号 所有位都是有效位
// %u 以十进制的形式打印无符号整形
return 0;
}
c. 例3
//输出什么
#include
int main()
{
char a = 128;
printf("%u\n", a);
return 0;
}
输出：4294967168
int main()
{
char a = 128;
//00000000000000000000000010000000 原码 补码
//截断
//10000000
//整形提升
//11111111111111111111111110000000
printf("%u\n", a);
return 0;
}
d. 例4
//输出什么？
int main()
{
int i = -20;
unsigned int j = 10;
printf("%d\n", i + j);
}
//输出：-10
int main()
{
int i = -20;
// 10000000000000000000000000010100 原码
// 11111111111111111111111111101011 反码
// 11111111111111111111111111101100 补码
unsigned int j = 10;
// 00000000000000000000000000001010 原码 补码
// 11111111111111111111111111101100 i补码
// 11111111111111111111111111110110 i+j
printf("%d\n", i + j);
// 11111111111111111111111111110110 i+j 补码 用%d 打印
// 11111111111111111111111111110101 反码
// 10000000000000000000000000001010 原码 -10
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数
}
e. 例5
//输出什么？
#include
int main()
{
unsigned int i;
for (i = 9; i >= 0; i--)
{
printf("%u\n", i);
}
}
//输出：死循环打印
#include
int main()
{
unsigned int i;
for (i = 9; i >= 0; i--)
{
printf("%u\n", i);
//i=0-1的时候 -1变成无符号整数将是很多的整数
}
}
f. 例6
//输出什么
#include
int main()
{
char a[1000];
int i;
for (i = 0; i < 1000; i++)
{
a[ i ] = -1 - i;
}
printf("%d", strlen(a));
return 0;
}输出：255
g. 例7
//输出什么？
#include
unsigned char i = 0;
int main()
{
for (i = 0; i <= 255; i++)
{
printf("hello world\n");
}
return 0;
}
输出：死循环打印
三 浮点数在数据中的储存
1 什么是浮点数？
3.14159
1E10 --> 就是 1.0*10^10
123.45 --> 也可以表示为 12.345*10^1 1.2345*10^2
像这些小数点可以浮动的数就是浮点数
类型： float double long double
浮点数类型表示范围：float.h 中定义
2 浮点数在内存中的储存的一个例子
#include
int main()
{
int n = 9;
float* pFloat = (float*)&n;
printf("n的值为：%d\n", n);//9？？
printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000？？
*pFloat = 9.0;
printf("num的值为：%d\n", n);//9。0？？
printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000？？
return 0;
}
//输出结果是什么？？？
我们可以发现 整形和浮点数在内存中的储存方式是有差异的
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。
3 浮点数在计算机内部的表示方法
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。
举个例子：
比如一个十进制的数 5.5 换算成二进制 就是 101.1
那101.1 写成科学计数法 就是 1.011*2^2
s = 0
M = 1.011
E = 2
浮点数5.5在内存中的储存的形式就是 V = (-1)^0 * 1.011 * 2^2
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
那 0.5呢？
0，5 二进制表示为 0.1 科学计数法 1.0 * 2^（-1）
V = (-1)^0 * 1.0 * 2^（-1）
对于32位的浮点数（float 类型， 4个字节， 32个比特位），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（double 类型， 8个字节， 64个比特位），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
int main()
{
float f = 5.5;
//101.1
//1.011 * 2^2
//(-1)^0 *1.011 * 2^2
//S = 0
//M = 1.011 只保存小数点后面的 有23个比特位 后面补0
//E = 2 +127=129 129用二进制表示为 10000001
//0 10000001 0110000000000000000
//0100 0000 1011 0000 0000000000000000
//0x40b00000 16进制形式
return 0;
}
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。
（-1)^s * 0.xxxxxx * 2^(-126)
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）
4 解释之前的例子
#include
int main()
{
int n = 9;
// 00000000000000000000000000001001 9的二进制序列
float* pFloat = (float*)&n;
// 当用*pFloat 接收的时候 认为它是浮点数
// 0 00000000 00000000000000000001001
// S E M
// E 在内存中为全0
// S=0 E=-126 M= 0.00000000000000000001001
// (-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^(-126)
//这是一个非常小的数字 保留6位小数后就是0.000000
printf("n的值为：%d\n", n);//9
printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
*pFloat = 9.0;
// 1001.0 9.0浮点数二进制表示
// 1.001 * 2^3
// (-1)^0 * 1.001 * 2^3
// S=0 M=1.001 E=3(存的时候加127 = 130）
// 0 10000010 0010000000000000000
//0100000100010000000000000000 以整形视角来看 这是补码
// 整数 原码和补码相同
//算出来就是 1091567616
printf("num的值为：%d\n", n);
printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000
return 0;
}
//输出结果是什么？？？
所以我们可以知道：
以浮点数形式放进去 就应该以浮点数形式拿出来
以整数形式放进去 就应该以整数形式拿出来
这篇博客很长 但是也很有意义 可以对数据的储存进行更深的理解 虽然可能这些东西我们将来都用不到 只需要知道大致的储存原理就行了 但是我们要修炼内功 必须悟其所道 继续加油！