数据在内存中的存储
本文将十分直白地讲解C语言数据在内存中的存储，让大家更加了解不同数据在内存中是如何被存储的，详解整型提升，同时解开浮点型在内存如何存储的疑惑，还会穿插一些题目来加深大家的印象。
文章目录
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- 原码，反码，补码
- 整型提升
- 大小端介绍
- 浮点型在内存中的存储
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前言
不同类型的数据在内存中开辟的空间不同。
他们在内存中是如何存储的呢？
原码，反码，补码
计算机有三种2进制表示方法，都有符号位和数值位两个部分，
- 符号位用‘0’表示整数，用‘1’表示负数
- 正数的原反补码都相同
- 负数的原反补码各不相同
- 原码：直接将该数按照二进制的方式翻译过来就是原码。符号位为1。
- 反码：符号位不变，其他位置按位取反即为反码
- 补码：反码加1得到的数就是补码。
要记住的是：对于整形数据（包括字符类型数据）来说，内存中存放的是补码。
如图
在计算机系统中，使用补码会方便很多，可以将符号位和数值域统一处理，加法减法也可以统一处理（因为CPU只有加法器）。
如果想进行10减2的运算，但计算机之中只有加法器，转化为10加上（-2）进行计算
符号位进的1超出整型的范围，就被截断了，这样就可以将符号位和数值位进行统一的计算。
整型提升
什么是整型提升呢？
C语言的整型运算总是至少以缺省类型的精度来进行的，为了获取这个精度，表达式中的短整型和字符类型的数据在进行计算时，通常会提升到普通整形。说白了就是将两个短整型数据运算时以整型数据来进行运算，运算完成后得到的结果将发生截断。
整型提升的规则
- 有符号：按照补码被截断的最高位进行提升，如果最高位是1，就在前边补1，直到变成32位的int类型。
- 无符号：直接补零，到32位的int类型
举一个例子
int main()
{
char a, b, c;
a = 127;
//补码为0111 1111
b = 5;
//补码为0000 0101
c = a + b;
//在进行运算时进行整型提升
//a提升为0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111
//b提升为0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101
//相加后 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0100
//因为c也是char类型，必将发生截断
//1000 0100,前边的位置补1
//补码1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0100
//转化为原码，补码减1取反，符号位不变
//1000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1100
printf("%d", c);
//以%d形式打印，结果为-124.
return 0;
}
注：整型提升和普通的算术类型转换不一样，类型转换是因为两个或多个不同类型的数据进行计算时，将每个数据都转化为同一类型即范围最大的类型，而整形提升尽管计算的数据类型相同，还是可能会发生整型提升。
一个很直观的梨子:
a+b是一个算术表达式，a和b都提升至int型,所以占4个字节。
c为a+b的返回值，发生截断，变回char类型，所以只占一个字节。
short类型或char类型运算时，会提升至int类型，要将计算结果放在一个char类型或short类型的变量时，发生截断。
- 来看一题
int main()
{
char a = -1;
signed char b = -1;
unsigned char c = -1;
printf("%d %d %d", a, b, c);
return 0;
}
运行结果如何呢？
-1的补码为1111 1111以%d形式打印，原码为补码减1取反，结果为-1，所以a和b的结果相同，皆为-1，而c为无符号类型，原反补相同，就算进行提升，前位也补0，11111111的十进制为255，故c的打印结果为255.
- 再看一题
int main()
{
char a = -128;
printf("%u\n", a);
return 0;
}
运行结果如何？
这里以%u的方式打印，-128在内存中的补码为1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000，a是char类型，所以a的补码为1000 0000。%u的意思是以十进制的方式打印无符号整型。在打印1000 0000时必将发生整型提升，整型提升时前边补零或是补一看的是符号位，所以前位补1。
提升后的补码为1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000，正数的原反补都相同，换成十进制
放在VS里运行后结果确实如此
int main()
{
char a = 128;
printf("%u\n", a);
return 0;
}
道理相同，128的补码为0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000，a的补码为1000 0000，他和a是-128时存进内存的补码一样，a的类型同样为有符号类型，整型提升前位补1，所以打印结果一模一样。
大小端介绍
大端小端是两种存储的方式，大端储存方式是数据的低位保存到内存的高地址中，数据的高位保存在内存的低地址处，小端存储方式是指数据的地位保存在低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址处。
char类型的数据，在内存中只有一个字节，就不存在大小端问题，然而除了一个字节的char字符类型外还有2个字节的short,4个字节的int,等等等等，对于位数大于八位的处理器，由于寄存器的宽度大于一个字节，那么必然会出现如何对多个字节进行安排的问题，这就分化出了大小端问题。
如图详细介绍一下大小端
那么如何知道一个编译器具体是大端还是小端？
这是百度在2015年工程师笔试题里的问题，设计一个小程序判断当前机器的字节序是大端还是小端。
大端的话低位放在高地址，高位放在低地址。小端的话相反。
直接写一个代码调试先看一看
将右上角的列改为1，地址输入取地址a
可以看到低地址储存的是低位，高地址存的是高位。
- 写一个小程序来判断
int main()
{
int a = 1;
char* p = (char*)&a;
if (*p == 1)
{
printf("小端\n");
}
else
printf("大端\n");
return 0;
}
利用强制类型转换，取地址a取出首地址，即四个字节中的低地址位，强制类型转换为字符类型的指针，解引用后从内容即可判断其为0还是1从而判断大小端。
- 注意不能直接截断来判断
例如int b=(char)a;截断从低位开始，如果是很大的数截断会把高位截断，而保存低位。所以用这种方式明显是不行的。
浮点型在内存中的存储
常见的浮点数类型有float,double,long double类型。
浮点数分为整数部分和小数部分，他们在内存中的存储和整型有什么区别？
看代码
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("n的值为：%d\n", n);
printf("*pfloat的值为：%f", *pfloat);
return 0;
}
运行后结果如图
num和*pfloat在内存中明明是同一个数，为什么结果差别如此之大，说明了浮点数和整形数据在内存中的储存方式不同。
根据国际标准，任何一个二进制浮点数V都可以用以下方式表示
(-1）^S *M *2^E (-1)^S表示符号位，如果S为0，V为正数，S为1，V为负数。
M表示有效数据，大于等于1，小于2。
2^E表示指数位。
举例
十进制的5.0，二进制形式为101.0，相当于1.01*2^2。用二进制浮点数表示（-1) ^0 * 1.01 * 2 ^2。
在这里S为0，M为1.01，E为2。
类比于十进制123，相当于1.23 * 10^2。
例如
十进制的浮点数5.5
二进制形式可以写作101.1，相当与1.011 * 2^ 2，用(-1)^0 * 1.011 * 2 * 2。
浮点数0.5
二进制形式0.1，相当于1.0 * 2^(-1)。
根据国际标准IEEE（电气和电子工程协会）规定：
对于32位的浮点数float而言，最高的1位是符号位S，接下来的8位是指数E，剩下的23位为M。
对于64位的浮点数double，最高的1位仍为S，接下来的11位是指数E，剩下的52位为有效数字M。
前边已经说过了，M大于1小于2，所以无论什么时候M都可以写作1.XXXXXX的形式，所以在保存M时，只保存1后边的部分，这样可以省出来一位。就比如32位float类型，留给M的只有23位，不保留小数点前的1的话，就可以保存24位有效数字。
对于指数E
首先E为一个无符号整数（unsigned int）
如果E为8位，他的取值范围为0~255；如果E位11位，它的取值范围为0
~2047。但是就像上述所说的0.5，E是可能出现负数的，所由IEEE规定，存入内存时，E的真实值必须要加上一个中间数，对于8位的E，这个中间数是127，对于11位E，这个中间数是1023。
比如2^10的E为10，在保存为32位的浮点数时，在内存中保存的数是10+127=137。即10001001。
- 指数E从内存中取出还分为三种情况
- 指数E不全0或不全为1。
(按照32位的float来说）取出直接指数E的值直接减去127。得到E的真实值后，将M前边的1补上，再根据S是0还是1，判断这个数的正负。
例如前边所说的0.5，二进制形式为0.1，正数部分必须为1，小数点前进一位。变为1.0*2^(-1)。
E的值为（-1）+127为126，表示为01111110。1.0去除1，只留下0，补齐至23位，就是23个零。而且因为他是正数。S为0.
在内存中为0 0111 1110 0000 0000 0000 0000 0000 000。
2. 当E为全0的情况
如果E为全零，那他原来的值就是-127。那将是一个超级小的数字，2的10次方就是1024，2的-127次方接近于无穷小，这时直接判定E的值为1-127。有效数字M不再加上第一位的1，而是还原为0.XXXXX的小数，这样做是为了表示±0，以及接近于0的很小的数字。
3. 当E全为1
如果E全为1，那么在没有加上中间值时，E得值为128，2的128次幂是一个很大很大的数，如果有效数字M全部为零，就表示无穷大，是正无穷还是负无穷取决于S。
现在再来解决上边的疑问。
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(“n的值为：%d\n”, n);
printf(“*pfloat的值为：%f”, *pfloat);
return 0;
- 以%d形式打印n我想就不用说了。
- 在内存中n=9的二进制为0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
因为pfloat强制类型转化为float类型的指针，就是把该二进制序列看作浮点数的形式用%f的形式打印。
0 00000000 00000000000000000001001
用浮点数的储存方法解读，S为0，E为全零，是一个很小很小的数，而%f打印默认只能保留到小数点后六位。故打印结果为0.000000。
- *pfloat=9.0。
这个时候就变为了浮点数的形式储存9.0。
9.0的浮点数形式储存，S等于0，1.001 *2^3,E加上127，即130，二进制形式为10000010，M的001，后边全部补0。
综合为 0 10000010 0010 0000 0000 0000 0000 000
对比上边的十进制结果发现确实如此。
- 最后以%f的形式打印浮点数，相当于用浮点数的储存方式取出数据，在打印，结果为9.000000。
到了这里一切就都柳暗花明了。本章完成，如果哪里有错误的话还请大家指出。