C语言之数据在内存中的存储

1. 整数在内存中的存储

在讲解操作符的时候，我们已经了解了一下内容：

整数的2进制表示方法有三种，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”，而数值位最高的一位是被当做符号位，剩余的都是数值位。

正整数的原、反、补码都相同

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得到的就是原码

反码：将原码的符号位不变，其他位一次按位取反就可以的到反码

补码：反码+1就得到补码

对于整形来说：数据存放在内存中其实存放的是补码

为什么？

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）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. 大小端字节序和字节序判断

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 

int main()
{
	int a = 0x11223344;
	return 0;
}

在我们进行调试的时候，是倒着存储的。这是为什么呢？

什么是大小端？

其实超过一个字节的数据在内存中存储的时候，就有存储顺序的问题，按照不同的存储顺序，我们分为大端字节序存储和小端字节序存储，下面是具体的概念：

大端（存储）模式：

是指数据的低位字节内容保存在内存的高地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的低地址处。

小端（存储）模式：

是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的高地址处。

上述概念需要记住，方便分辨大小端

为什么有大小端？

为什么会有大小端之分呢？

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8bit位，但是在C语言中除了9bit的char之外，还有16bit的short型，32bit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。

练习1

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。

//方式1：一般形式
int main()
{
	int a = 1;

	char* p = *(char*)&a;
	if (p == 1)
	{
		printf("小端字节序");
	}else{
		printf("大端字节序");
	}
	return 0;
}

//方式2：函数形式
int m_mine()
{
	int a = 1;
	return (*(char*)&a);
}

int main()
{
	int p = m_mine();
	if (p == 1)
	{
		printf("小端字节序");
	}else{
		printf("大端字节序");
	}
	return 0;
}

练习2

#include 
int main()
{
	char a = -1;
	//10000000000000000000000000000000  原码
	//11111111111111111111111111111110  反码
	//11111111111111111111111111111111  补码
	//存储在a中要发生截断
	//11111111 -a
	// 有符号位补1
	//11111111111111111111111111111111
	//10000000000000000000000000000000
	//10000000000000000000000000000001
	//-1
	signed char b = -1;
	//11111111 -b
	unsigned char c = -1;
	//11111111 -c
	//无符号位补0
	//000000000000000000000000011111111
	//255

	printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);//-1,-1,255
	//%d - 十进制的形式打印有符号的整数
	return 0;
}

练习3

#include 
int main()
{
	char a = -128;
	//10000000000000000000000010000000
	//11111111111111111111111101111111
	//11111111111111111111111110000000
	//10000000 -a
	//打印时发生整型提升，按符号位提升
	//11111111111111111111111110000000
	//
	printf("%u\n", a);
	//%u是十进制的形式打印无符号的整数
	return 0;
}

练习4

#include 
int main()
{
	char a[1000];
	//-128~127
	//-1 -2 -3....-128 127 126 125 ...... 5 4 3 2 1 0 .....-128....
	//128+127=255
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d", strlen(a));
	//求字符串的长度找的是\0，\0的ASCII码值是0，其实找的就是0
	return 0;
}

练习5

#include 
unsigned char i = 0;
//0~255
int main()
{
	for (i = 0; i <= 255; i++)//恒成立，出现死循环
	{
		printf("hello world\n");
	}
	return 0;
}

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

练习6

#include 
int main()
{
	int a[4] = { 1, 2, 3, 4 };
	int* ptr1 = (int*)(&a + 1);
	int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);
	printf("%x,%x", ptr1[-1], *ptr2);//4   2 00 00 00
	return 0;
}

3. 浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：3.1415926/1E10等，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

#include 
int main()
{
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;//int*
	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;
} 

整数的存储方式和浮点数的存储方式是不一样的。

在上述代码中，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。

根据国际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：

V = (-1)^s * M * 2^E

• (-1)^s 表示符号位，当s等于0，V为正数；当S=1,V为负数
• M表示有效数字，M是大于等于1，小于2的
• 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1.091*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，最高位存储符号位S，接着的8位存储指数E，剩下的23位存储有效数字M
对于64位的浮点数，最高的1位存储符号位S，接着的11位存储指数E,剩下的52位存储有效数字M

//十进制：   5.5
//二进制：   101.1
//科学计数法：1.011 * 2^2   
//(-1)^0 * 1.011 * 2^2
//S=0		M=1.011		E=2

int main()
{
	float f = 5.5f;
	
	//0 10000001 01100000000000000000000
	//1.0110000000000000000000 * 2^2----->129-127=2
	return 0;
}

浮点数存的过程

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，值保存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位浮点数位例，只给M只有23位，将第一位的1舍去后，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

这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0_{255；如果为11位，它的取值范围为0}2047.但是，我们知道，科学计数法的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，所以保存称32位浮点数，必须保存成10+127=137，即10001001.

浮点数取得过程

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

此时，浮点数就采用下面规则表示，即指数E来的计算值减去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00000000000000000000000，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）

0 11111111 00010000000000000000000

练习题解析

int main()
{
	int n = 9;
	//0 00000000 00000000000000000001001
	//S=0
	//E=-126
	//M=0.00000000000000000001001
	//+0.00000000000000000001001 * 2^-126
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//0.000000
	*pFloat = 9.0;
	//以浮点数的形式存储
	//1001.0
	//1.001 * 2^3
	//(-1)^0 * 1.001 * 2^3
	//S = 0
	//E = 3
	//M = 1.001
	//0 10000010 00100000000000000000000
	//s    e+127    M
	//0 10000010 00100000000000000000000(补码)
	printf("num的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}