c语言进阶-深度剖析数据在内存中的存储
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文章目录
本章重点
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
2.3 练习
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
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
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]注意：
1.signed 有符号 unsigned 无符号
2.字符char类型是否有signed char，在c语言中没有规定，取决于编译器
3.字符在内存中的存储的是字符的ASCII码值，ASCII码值是整形，所以字符类型归类到整形家族。
ASCII表规定的ASCII码值为0~127
浮点数家族：
float
double
long 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; //无具体类型的指针
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。
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。
计算机能够处理的是二进制数据，整形和浮点型数据在内存中也是以二进制形式来存储。
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。
a的地址在内存存储：14 00 00 00
b的地址在内存存储：f6 ff ff ff
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8bit。
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。
设计一个程序来判断你的编译器是为那种存储方式
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。
//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;
}
若是大端存储则为00 00 00 01
小端存储则为 01 00 00 00
2.3 练习
1.
#include
int main()
{
char a = -1;
//10000000000000000000000000000001
//11111111111111111111111111111110
//11111111111111111111111111111111
//11111111 - a
signed char b = -1;
//11111111 - b
unsigned char c = -1;
//11111111 - c
//
printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
//%d 是10进制的形式打印有符号的整数
//00000000000000000000000011111111
//
return 0;
}
输出结果：a=-1，b=-1，c=255
char类型时，不论有符号还是无符号的数据，必须先把数据换算为int型的补码，然后再去出8位，最后整形提升，有符号数补符号数，无符号数补0.
无符号数原码，反码，补码相同，%d打印有符号数，直接打印正数
2.
#include
int main()
{
char a = -128;
//10000000000000000000000010000000
//11111111111111111111111101111111
//11111111111111111111111110000000
//10000000 - a
//
//11111111111111111111111110000000
//
printf("%u\n", a);
//
//%u 是10进制的形式，打印无符号的整数
//%d 是10进制的形式，打印有符号的整数
return 0;
} 输出结果：4294967168
a是有符号的数据，整形提升，%u无符号打印，直接输出
3.
#include
char :-128~127
int main()
{
char a = 128;
//00000000000000000000000010000000
//11111111111111111111111110000000 - a
printf("%u\n", a);
//截断
return 0;
}
输出结果：4294967168
注意：
1.显出数据的32位原码，反码，补码，补码然后取出最后的8位。
2.之后看数据类型是有符号还是无符号，整形提升，有符号的补符号位，无符号的补0。
3.%u无符号打印就直接打印，%d有符号打印看符号位，为0直接打印，为1取反加1打印。
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;
}结果为：
解释这道题目：
第一部分
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 -> 0 00000000 000 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
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 。
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）