【进阶】C语言——深度剖析数据在内存中的存储

文章目录

  • 1.数据类型介绍
  • 2.整型在内存中的存储
    • 2.1原码,反码,补码
    • 2.2大小端介绍
    • 2.3整型提升及练习
      • 练习1:
      • 练习2:
      • 练习3:
      • 练习4:
      • 练习5:
      • 练习6:
      • 练习7:
  • 3.浮点型在内存中的存储
    • 3.1例子
    • 3.2浮点数存储规则

1.数据类型介绍

C语言中有哪些数据类型呢?
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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。

2.整型在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。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。
那它是如何存储的呢?

2.1原码,反码,补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法,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

正数的原、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。

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对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码。
但是这是为什么呢?

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。

对于一个负数来说,原码取反加一可以得到补码;同样,补码取反加一也可以得到原码。二者的转换逻辑是相同的。
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我们可以看到,在内存中ab的存储顺序有点不对劲,这是为什么呢?

2.2大小端介绍

大端(字节序)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(字节序)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。

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为什么会有大小端?

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。

注意:两个字节以上才有字节序可讲。

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)
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2.3整型提升及练习

什么是整形提升:

C的整型算术运算总是至少以缺省整型类型的精度来进行的。
为了获得这个精度,表达式中的字符和短整型操作数在使用之前被转换为普通整型,这种转换称为整型提升。

整形提升的意义:

表达式的整型运算要在CPU的相应运算器件内执行,CPU内整型运算器(ALU)的操作数的字节长度
一般就是int的字节长度,同时也是CPU的通用寄存器的长度。
因此,即使两个char类型的相加,在CPU执行时实际上也要先转换为CPU内整型操作数的标准长度。 通用CPU(general-purpose
CPU)是难以直接实现两个8比特字节直接相加运算(虽然机器指令中可能有这种字节相加指令)。
所以,表达式中各种长度可能小于int长度的整型值,都必须先转 换为int或unsigned int,然后才能送入CPU去执行运算。

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练习1:

下列程序会输出什么?
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下来我们来分析一下这个代码:
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练习2:

这个代码会输出什么呢?
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下来我们分析一下这个代码:
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练习3:

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练习4:

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练习5:

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这是为什么呢?

无符号整型unsigned int 的取值范围为0~2^32-1,所以i不会小于0,程序会陷入死循环。

练习6:

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C语言规定:

1.当一个数超过该类型数据所能存储的最大值时就会发生截断
2.当遇到100000000,不做处理,直接翻译为负数的最大值(-128)

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所以signed char类型的取值为-128~127
strlen函数求的是’\0’之前的字符串,所以当遇到0的时候就会停止,所以程序运行的值为255

练习7:

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unsigned char的值介于0~255之间,所以循环将会无限执行。

3.浮点型在内存中的存储

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例子

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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。

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。

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。

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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。
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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0255;如果E为11位,它的取值范围为02047。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);

此时我们再分析3.1的例子:
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