详细深度剖析数据在内存中的存储

1.数据类型介绍

在进行相关的讲解之前，我们可以一起回忆一下数据的基本内置类型。

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

而在此基础上继续细分：
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

空类型即void函数，通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型。而相关的空指针void *，从某种程度上运用更加广泛。==任何类型的指针都可以直接赋值给void *，从而无需进行强制类型转换。==当然并不意味着，void *也可以无需强制类型转换地赋给其它类型的指针。因为"无类型"可以包容"有类型"，而"有类型"则不能包容"无类型"。

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，空间的大小是根据不同的类型而决定的。而对于目前的计算机而言，整数一共有三种2进制表示方式，分别是原码、补码与反码。

2.1原码、反码与补码

原码
原码，用最高位表示符号位，‘1’表示负号，‘0’表示正号。其他位存放该数的二进制的绝对值。比如说下面这个例子

int a = 4;
int b = -2;
//对于a的原码则为：00000000 00000000 00000000 00000100

对于正数，在存储之中，正数的原码、反码、补码都相同。

//因此我们可以轻易的得出一些相关的二进制码（省略32位原码的前面的0位，仅写出后四位，若需扩充完整仅需前位补0至32位）
int a = 2；//0010
int b = 3；//0011
int c = 4；//0100
int d = 5；//0101
int e = 6；//0110
int f = 7；//0111

而正数原码的相加也很简单

int a = 2;
int b = 4;
//2+4 0010 + 0100 = 0110 , 0110就是6的二进制码

那么下列这一个运算又是否正确呢

int a = 1;//0001
int b = -1;//-1的二进制数是多少呢？按照上述所说，前面第一位表示符号位，那么是不是-1的二进制位就是1001？
那么1+（-1） = 0001 + 1001 = 1010即-2，可这怎么可能？计算机变人工智障了？？？？

于是我们可以看到正数二进制之间的加法通常是不会出错的，而正数与负数相加，或负数与负数相加，就会引起莫名其妙的结果，这是因为负数的数据存储与正数有些许不同。负整数的三种表示方法各不相同。

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。

于是乎，就出现了反码与补码，而反码和补码的计算方式也正如上述，我们不妨举个栗子。

int b = -3;
-3的二进制原码为：10000000 00000000 00000000 00000011
反码为：111111111 11111111 11111111 11111100
补码为（反码+1）：111111111 11111111 11111111 11111101，
则最后-3存储进计算机的二进制码为111111111 11111111 11111111 11111101。
同理，1的补码00000000 00000000 00000000 00000001
     -1的补码111111111 11111111 11111111 11111111
     二者相加则得1 00000000 00000000 00000000 00000000
     而此时显然出现了33bit，会发生数据截断（int类型应当只有32bit）
     数据截断时，将数据的高字节数据截去,只保留低字节部分
     那么将第33位数字截去，则剩下00000000 00000000 00000000 00000000
     即0，即1+（-1）= 0，显然符合了我们日常所学的框架

但是大家估计会发出疑问，为什么负数与正数进行运算时，用的不是原码而是补码呢？因为，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？
因为在计算机系统中，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无符号与有符号

我们一起来看看下列的代码程序执行结果是什么？

int main()
{
  unsigned char a = 200;
  unsigned char b = 100;
  unsigned char c = 0;
  c = a + b;
  printf(“%d %d”, a+b,c);
  return 0;
}

大家可以自己先判断一下，相信会有人认为两个都是300，实际上一个是300，一个是44。
这涉及到的，便是相关的有无符号问题，%d默认的是以有符号打印，而unsigned是无符号（即不默认最高位为符号位）

同理，对于char的取值范围为0~255，大家可以依照上方的圆形数形结合方法绘制方便理解。
PS：对于int、long等数据类型，等价于signed int，signed long，为有符号类型，一般signed会省略。而对于char则不一定，依据不同的编译器会有不同的结果，而目前大多数编译器默认的char都是signed char，即char默认为有符号。
因此对于上述的题，以%d有符号方式打印则可看char的取值范围，依照圆圈可以直接求得，而详细的题目求解方法我会在写完这篇后单独再写一篇详细讲解。

2.3数据存储方式——大端与小端

下面大家来看一下这张图

为什么数据的存储在计算机中会倒过来进行存储呢？
这就需要讲到大小端存储了。

大小端存储
大端（存储）模式，是指数据的低位字节保存在内存的高地址中，而数据的高位字节，保存在内存的低地址中；
小端（存储）模式，是指数据的低位字节保存在内存的低地址中，而数据的高位字节，保存在内存的高地址中。

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。
那么我们可不可以设计一个程序来来判断当前机器的字节序呢？答案是肯定的，代码如下。

#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; }

在判断数据的时候，我们应当秉持着就简原则简化任务，因此才会找1（0X00 00 00 01）来判断。如果第一个字符为1那么必然是小端存储。

3.浮点型在内存中的存储

浮点型在内存中的存储
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。

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。
而对于E则有更复杂的规定。
E是一个无符号整数，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。

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。
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）。

ps：因个人能力有限，难免出现一些错误，若有相关错误可以及时私信给我以更正，谢谢大家！