C语言进阶笔记（一） | 深度剖析数据在内存中的存储

目录 

数据类型的基本归类

类型的意义

整型家族

浮点数家族 

构造类型 

指针类型

空类型

整形在内存中的存储

原码、反码和补码

大小端介绍 

练习题

练习1

练习2

练习3

练习4

浮点型在内存中的存储 

浮点数表示形式

IEEE 754规定

有效数字M的保存

指数E的保存

指数E从内存中取出

练习题 

---

数据类型的基本归类

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。

整型家族

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。

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的，而空间的大小是根据不同的类型而决定的。

数据在所开辟内存中到底是如何存储的？ 

原码、反码和补码

下来了解下面的概念：

计算机中的有符号数有三种表示方法，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。

对于整型来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

原因

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。

 举个栗子

int main()
{
    1 - 2;

    //1+(-3)
    //00000000000000000000000000000001 - 1的原码
    //10000000000000000000000000000010 - -2的原码
    //原码相加
    //10000000000000000000000000000011 - -3
    //
    //00000000000000000000000000000001 - 1的补码
    //11111111111111111111111111111110 - -2的补码
    //补码相加
    //11111111111111111111111111111111 - 1+(-2)的补码
    //10000000000000000000000000000001 - 1+(-2)的原码 - -1

    return 0;
}

 我们看看在内存中的存储：

#include

int main()
{
	int a = 20;//4个字节 - 32bit
	//正数原码反码补码相同
	//00000000000000000000000000010100 - 原码
	//00000000000000000000000000010100 - 反码
	//00000000000000000000000000010100 - 补码
	//0x00000014 - 补码的十六进制
	int b = -10;
	//10000000000000000000000000001010 - 原码
	//11111111111111111111111111110101 - 反码
	//11111111111111111111111111110110 - 补码
	//0xfffffff6 - 补码的十六进制
	printf("%p\n", &a);
	return 0;
}

                                

 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？

大小端介绍 

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。

设计一个小程序来判断当前机器的字节序（大小端）

#include

int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
	
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

练习题

练习1

下面代码输出什么？

#include

int main()
{
	char a = -1;
	//10000000000000000000000000000001
	//11111111111111111111111111111110
	//11111111111111111111111111111111
	//11111111
	signed char b = -1;//11111111
	unsigned char c = -1;//11111111
	printf("a = %d,b = %d,c = %d\n", a, b, c);//-1，-1，255
	//打印时要整型提升
	//11111111111111111111111111111111 - a补码
	//11111111111111111111111111111111 - b补码
	//00000000000000000000000011111111 - c补码
	return 0;
}

练习2

下面代码输出什么？

#include

int main()
{
	char a = -128;
	//10000000000000000000000010000000
	//11111111111111111111111101111111
	//11111111111111111111111110000000
	//截断
	//10000000
	//整型提升
	//11111111111111111111111110000000 - 4294967168
	//%u打印无符号数

	char b = 128;
	//00000000000000000000000010000000
    //截断
    //10000000
    //整型提升
    //11111111111111111111111110000000 - 4294967168
	printf("%u\n", a);//4294967168
	printf("%u\n", b);//4294967168
	return 0;
}

练习3

下面代码运行结果是什么？

#include

#include
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);//死循环   i为无符号数，恒>=0
		Sleep(1000);
	}
	return 0;
}

练习4

下面打印结果为多少？

#include

int main()
{
	char a[1000];
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d\n", strlen(a));//255   -1,-2,-3...-128,127,126,125...0
	return 0;
}

浮点型在内存中的存储 

浮点数表示形式

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，对于5.5这个数来说：

int main()
{
	float f = 5.5;
	//5.5
	//101.1
	//(-1)^0*1.011*2^2
	//S = 0
	//M = 1.011
	//E = 2
	//S  E+127              M
	//0 10000001 01100000000000000000000
	//0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000
	//0x40b00000
	return 0;
}

 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。

有效数字M的保存

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。 

指数E的保存

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。

指数E从内存中取出

指数E从内存中取出分三种情况

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的值规定为1-127（或者1-1023）， 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）。

练习题 

下面代码打印结果为多少？

#include

int main()
{
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n: %d\n", n);
	printf("*pFloat: %f\n", *pFloat);
	
	*pFloat = 9.0;
	printf("n: %d\n", n);
	printf("*pFloat: %f\n", *pFloat);

	return 0;
}

解析代码

#include

int main()
{
	int n = 9;
	//00000000000000000000000000001001
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n: %d\n", n);//9
	printf("*pFloat: %f\n", *pFloat);//0.000000
	//0 00000000 00000000000000000001001
	//(-1)^0*0.00000000000000000001001*2^-126 - 无穷小

	*pFloat = 9.0;
	//1001.0
	//(-1)^0*1.001*2^3
	//0 10000010 00100000000000000000000
	//01000001000100000000000000000000
	printf("n: %d\n", n);//1091567616 - 2^30+2^24+2^20
	printf("*pFloat: %f\n", *pFloat);//9.000000

	return 0;
}