C语言突破进阶-数据的存储

1. 数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的数据类型：

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

更加仔细的可以参考这个网站

特别的，有一个布尔类型是c99以后才引入的，想要使用要引入头文件

_Bool //(C99 起)
#include
int main()
{
	_Bool flag = true;
	if (flag)
	{
		printf("hehe\n");
	}
	return 0;
}

• 对于字符串类型来说呢，c语言是没有专有的，但是可以建立一个字符串数组来存放字符串

以及他们格子所占存储空间的大小。
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。

1.1 类型的基本归类：

整形：

字符char在整型里面的原因是因为对应字符的ASCII值是整数

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]  

注：

• signed是有符号数，unsigned就是无符号的整型

• 一般来说int就是signed int,char在大部分编译器底下都是signed char

浮点数：

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）

通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型。

2. 整形在内存中的存储

数据在所开辟内存中到底是如何存储的

2.1 原码反码补码

之前在操作符一章中有谈到过数据在内存中存储的时候有三种储存形式

之前留下过一个问题，就是为什么我们要分成这三种形式来存储呢，这不麻烦吗

又是为什么要在内存中存储时使用补码呢？

比如说我们要1-1，那么就有加法器的时候换成1+（-1）就可以了，那当我在计算的时候若用原码计算

得到的答案因为符号位到i之计算产生问题，但是如果用补码计算，负数补码是取反

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 大端小端

一个数在内存中存取的时候是有其顺序的

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，当一个数据的内存占用超过一个字节的时候，就会体现出存储数据的顺序问题。

我们说，如果不规定顺序的话这个0x11223344是可以随便按顺序储存的

显然这是不现实的

因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。于是我们规定了有大端和小端字节序

大端字节序：

一个数据的低字节的数据放在高地址处，高字节序的内容，放在了低地址处，这种存储方式叫做大端字节序

小端字节序：

一个数据的低字节的数据放在低地址处，高字节序的内容，放在了高地址处，这种存储方式叫做小端字节序

我们如何直观的区分呢？

可以看看第一个字节里面存的是多少

可以看到第一格字节如果拿出来是0就是大端，而如果是小端的话拿出来的就是01

利用强制类型转换拿出第一个字节的值就可以看

int main()
{
	int a = 0x11223344;
	char* p = (char*)&a;//int*
	if (1 == *p)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

可见VS是小端

这样的结论有什么用呢？通过这道题目来看一下

2.2.1 一个栗子

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。

int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;
	if (1 == p)
		return 1;
	else
		return 0;
}
int main()
{
	int ret = check_sys();//返回1是小端，返回是大端
	if (1 == ret)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

简化一下函数

int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;//p->(char*)&a
}

2.3 一波小练习

小练习来一波

栗子1

#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;
}

c是比较特殊的由于unsigned 的特殊性

我们一步一步来分析

首先由调试可以知道，在一开始存储的时候都是一样的

要打印的话肯定要进行整型提升的，也就是按照原符号位来提升

于是对于有符号数来说打印出来就是-1

但是c是无符号类型，高位补零，所以32位补完之后，发现最高位是0所以原码就是反码，转换为原码之后就是255

栗子2

#include 
int main()
{
	char a = -128;
	printf("%u\n",a);//注%u是无符号数
	return 0;
}

存储的时候，只取8位

a是有符号数，所以补一下高位，整型提升之后，补最高位1，由于无符号数来输出，最后就是

得到了4294967168

那如果是这样的话其实a=128也是同理

栗子3

int main()
{
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}

最后输出的是-10

栗子4

根据之前的知识来看为什么下面的一个程序停不下来呢

int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}

其实VS已经智能的给出报错原因了

永远不可能比0小

栗子6

int main()
{
	char a[1000];
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d", strlen(a));
	return 0;
}

首先我们要知道一个char类型变量能放什么数值

我们可以转化为一个⚪来记忆

于是现在我们再来看这道题目要求数组中strlen也就是要找到\0，找字符0之前出现的多少个字符就是255，也就是说这个⚪我逆时针走一圈到0有多少个数字

相同道理有符号short就是-32768-32767

还有一个方法可以直接看到这些数的范围

//在这个头文件里面
#include
#define CHAR_BIT      8
#define SCHAR_MIN   (-128)
#define SCHAR_MAX     127
#define UCHAR_MAX     0xff
#define MB_LEN_MAX    5
#define SHRT_MIN    (-32768)
#define SHRT_MAX      32767
#define USHRT_MAX     0xffff
#define INT_MIN     (-2147483647 - 1)
#define INT_MAX       2147483647
#define UINT_MAX      0xffffffff
#define LONG_MIN    (-2147483647L - 1)
#define LONG_MAX      2147483647L
#define ULONG_MAX     0xffffffffUL
#define LLONG_MAX     9223372036854775807i64
#define LLONG_MIN   (-9223372036854775807i64 - 1)
#define ULLONG_MAX    0xffffffffffffffffui64

栗子7

#include 
unsigned char i = 0;
int main()
{
		for(i = 0;i<=255;i++)
	{
		printf("hello world\n");
	}
	return 0;
}

还是造成死循环

小结：

当我们使用无符号数的时候最好还是要注意一下

3. 浮点型在内存中的存储

3.1 引入

通过一个栗子我们来看一看浮点型存储的特殊性

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;
}

其实问题出在浮点型和整型在内存存储中的方式是不一样的

这里的第三个输出也是，当用浮点型存储之后又以整型的形式取出来，就会导致输出的值不是9

3.2 浮点数存储规则

IEEE标准

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：
$$(-1{)}^S\ast M\ast 2^E$$

• (-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1.01×2²
  • 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-1.01×2²
  • 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

有效数字M

对于M来说 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。

指数E，情况比较复杂。

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，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。

  其实也就是说如果<0那么就加中间数化为有效数

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）

这时候再来解释之前的题目

回答前面的题目：

先看第一部分

当0x00000009 还原成浮点数，就成了0.000000
首先，将0x00000009 拆分，得到第一位符号位s=0，后面8位的指数E=00000000 ，最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 0000 1001
由于指数E全为0，所以符合上一节的第二种情况。因此，浮点数V就写成：
V=(-1)⁰ × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
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
再看第二部分

浮点数9.0，如何用二进制表示？还原成十进制又是多少？
首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2³。

9.0 -> 1001.0 ->(-1)^01.0012^3 -> s=0, M=1.001,E=3+127=130

那么，第一位的符号位s=0，有效数字M等于001后面再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010。
所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即
而这个32位的二进制数，被化成十进制打印出来，正是1091567616

总结：

关于数据类型及其存储的问题暂时就将那么多，老铁们有收获的话一定要给个赞，多多评论哦