C语言进阶—深度剖析数据在内存中的存储

本章重点

1. 数据类型详细介绍

2. 整形在内存中的存储：原码、反码、补码

3. 大小端字节序介绍及判断

4. 浮点型在内存中的存储解析

目录

1. 数据类型介绍

1.1 类型的基本归类：

2. 整形在内存中的存储

2.1 原码、反码、补码

2.2 大小端介绍

3. 浮点型在内存中的存储

3.1 一个例子

3.2 浮点数存储规则

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1. 数据类型介绍

前面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

//C 语言有没有字符串类型？

以及他们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 ]

浮点数家族：

float

double

构造类型：

> 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

我们之前讲过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 ;

我们知道为 a 分配四个字节的空间。

那如何存储？

下来了解下面的概念：

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

负整数的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。

我们看看在内存中的存储：

我们可以看到对于 a 和 b 分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点 不对劲 。

这是又为什么？

2.2 大小端介绍

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。

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。

百度 2015 年系统工程师笔试题：

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。（ 10 分）

//代码1
#include 
int check_sys()
{
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;
}
//代码2
int check_sys()
{
union
{
int i;
char c;
}un;
un.i = 1;
return un.c;
}

2.3 练习

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;
}

下面程序输出什么？

2.
#include 
int main()
{
   char a = -128;
   printf("%u\n",a);
   return 0;
}

3.
#include 
int main()
{
   char a = 128;
   printf("%u\n",a);
   return 0;
}

4.
int i= -20;
unsigned  int  j = 10;
printf("%d\n", i+j);
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数

5.
unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)
{
   printf("%u\n",i);
}

6.
int main()
{
   char a[1000];
   int i;
   for(i=0; i<1000; i++)
  {
       a[i] = -1-i;
  }
   printf("%d",strlen(a));
   return 0;
}

7.
#include 
unsigned char i = 0;
int main()
{
   for(i = 0;i<=255;i++)
  {
       printf("hello world\n");
  }
   return 0;
}

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 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;
}

输出的结果是什么呢？

3.2 浮点数存储规则

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，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。

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。

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。

解释前面的题目：

下面，让我们回到一开始的问题：为什么 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。

9 -> 0000 0000 0000 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 。

再看例题的第二部分。

请问浮点数 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 1.001×2^3 。

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

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个 32 位的二进制数，还原成十进制，正是 1091567616 。