变量与内存

变量与内存

本文目录

• 一、字节和地址
• 二、变量的存储
• 三、负数的二进制形式
• 四、变量的作用域
• 五、变量的初始化

在前面一节中简单介绍了变量的使用，当我们定义一个变量的时候，系统就会为变量分配一块存储空间。而变量的数值在内存中是以二进制的形式存储的，这讲来深入研究变量在内存中的一些存储细节。

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一、字节和地址

为了更好地理解变量在内存中的存储细节，先来认识一下内存中的“字节”和“地址”。

1.计算机中的内存是以字节为单位的存储空间。内存的每一个字节都有一个唯一的编号，这个编号就称为地址。就好像酒店是以房间为单位的，每个房间都有一个唯一的房号，我们根据房号就能找到对应的房间。

里面的每个小框框就代表着内存中的一个字节，白色数字就是每个字节的地址（这里采取十六进制来显示，地址值是随便写的，仅作为参考，真实情况中的地址值不一定是这个），可以发现，内存中相邻字节的地址是连续的。

 

2.大家都知道，一个字节有8位，所能表示的数据范围是非常有限的，因此，范围较大的数据就要占用多个字节，也就是说，不同类型的数据所占用的字节数是不一样的。

 

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二、变量的存储

1.变量类型的作用

跟其他编程语言一样，C语言中用变量来存储计算过程使用的值，任何变量都必须先定义类型再使用。为什么一定要先定义呢？因为变量的类型决定了变量占用的存储空间，所以定义变量类型，就是为了给该变量分配适当的存储空间，以便存放数据。比如char类型，它是用来存储一个字符的，一个字符的话只需要1个字节的存储空间， 因此系统就只会给char类型变量分配1个字节，没必要分配2个字节、3个字节乃至更多的存储空间。

 

2.变量占用多少存储空间

1> 一个变量所占用的存储空间，不仅跟变量类型有关，而且还跟编译器环境有关系。同一种类型的变量，在不同编译器环境下所占用的存储空间又是不一样的。我们都知道操作系统是有不同位数的，比如Win7有分32位、64位，编译器也是一样的，也有不同位数：16位、32位、64位（Mac系统自带的GCC编译器是64bit的）。由于我们是Mac系统下开发，就以64位编译器为标准。

2> 下面的表格描述了在64位编译器环境下，基本数据类型所占用的存储空间，了解这些细节，对以后学习指针和数组时是很有帮助的。

3> 下面的表格描述了在不同编译器环境下的存储空间占用情况

 

3.变量示例

当定义一个变量时，系统就会为这个变量分配一定的存储空间。

1 int main()
2 {
3     char a = 'A'; 
4     
5     int b = 10;
6     
7     return 0;
8 }

1> 在64bit编译器环境下，系统为变量a、b分别分配1个字节、4个字节的存储单元。也就是说：

• 变量b中的10是用4个字节来存储的，4个字节共32位，因此变量b在内存中的存储形式应该是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010。
• 变量a中的'A'是用1个字节来存储的，1个字节共8位，变量a在内存中的存储形式是0100 0001，至于为什么'A'的二进制是这样呢，后面再讨论。

2> 上述变量a、b在内存中的存储情况大致如下表所示：

（注："存储的内容"那一列的一个小格子就代表一个字节，"地址"那一列是指每个字节的地址）

• 从图中可以看出，变量b占用了内存地址从ffc1~ffc4的4个字节，变量a占用了内存地址为ffc5的1个字节。每个字节都有自己的地址，其实变量也有地址。变量存储单元的第一个字节的地址就是该变量的地址。变量a的地址是ffc5，变量b的地址是ffc1。
• 内存寻址是从大到小的，也就是说做什么事都会先从内存地址较大的字节开始，因此系统会优先分配地址值较大的字节给变量。由于是先定义变量a、后定义变量b，因此你会看到变量a的地址ffc5比变量b的地址ffc1大。
• 注意看表格中变量b存储的内容，变量b的二进制形式是：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010。由于内存寻址是从大到小的，所以是从内存地址最大的字节开始存储数据，存放顺序是ffc4 -> ffc3 -> ffc2 -> ffc1，所以把前面的0000 0000都放在ffc2~ffc4中，最后面的八位0000 1010放在ffc1中。

 

4.查看变量的内存地址

在调试过程中，我们经常会采取打印的方式查看变量的地址

1 #include <stdio.h>
2 
3 int main()
4 {
5     int a = 10;
6     printf("变量a的地址是：%p", &a);
7     return 0;
8 }

第6行中的&是一个地址运算符，&a表示取得变量a的地址。格式符%p是专门用来输出地址的。输出结果是：

变量a的地址是：0x7fff5fbff8f8

这个0x7fff5fbff8f8就是变量a的内存地址

 

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三、负数的二进制形式

1 int main()
2 {
3     int b = -10;
4     return 0;
5 } 

在第3行定义了一个整型变量，它的值是-10。-10的二进制形式是怎样的呢？一个负数的二进制形式，其实就是对它的正数的二进制形式进行取反后再+1。（取反的意思就是0变1、1变0）

1> 先算出10的二进制形式：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010

2> 对10的二进制进行取反：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0101

3> 对取反后的结果+1：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110

因此，整数-10在内存中的二进制形式是：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110。这里还能得出一个结论：负数的二进制形式的最高位一定是1。

 

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四、变量的作用域

1.作用域简介

变量的作用域就是指变量的作用范围。先来看看下面的程序：

1 int main()
2 {
3     int a = 7;
4     
5     return 0;
6 }

• 在第3行定义了一个变量a，当执行到这行代码时，系统就会为变量a分配存储空间
• 当main函数执行完毕，也就是执行完第5行代码了，变量a所占用的内存就会被系统自动回收
• 因此，变量a的作用范围是从定义它的那行开始，一直到它所在的大括号{}结束，也就是第3~6行，一旦离开这个范围，变量a就失效了

 

2.代码块

1> 代码块其实就是用大括号{}括住的一块代码。

 1 int main()
 2 {
 3     {
 4         int a = 10;
 5         
 6         printf("a=%d", a);
 7     }
 8     
 9     a = 9;
10     
11     return 0;
12 }

• 注意第3~7行的大括号，这就是一个代码块
• 当执行到第4行时，系统会分配内存给变量a
• 当代码块执行完毕，也就是执行完第6行代码后，变量a所占用的内存就会被系统回收
• 因此，变量a的作用范围是从定义它的那行开始，一直到它所在的大括号{}结束，也就是第4~7行，离开这个范围，变量a就失效了
• 所以，上面的程序是编译失败的，第9行代码是错误的，变量a在第7行的时候已经失效了，不可能在第9行使用

 

2> 如果是下面这种情况

 1 int main()
 2 {
 3     int a = 9;
 4     
 5     {
 6         int a = 10;
 7         
 8         printf("a=%d", a);
 9     }
10     
11     return 0;
12 }

• 注意第3、6行，各自定义了一个变量a，这种情况是没问题的。C语言规定：在不同作用域中允许有同名变量，系统会为它们分配不同的存储空间。
• 在第3行定义的变量a的作用域是：第3~12行；在第6行定义的变量a的作用域是：第6~9行。
• 最后注意第8行：尝试输出变量a的值。那这里输出的是哪一个变量a呢？先看输出结果：

a=10

这里采取的是“就近原则”，也就是第8行访问的是在第6行定义的变量a，并不是在第3行的变量a。

 

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五、变量的初始化

变量在没有进行初始化之前，不要拿来使用，因为它里面存储的是一些垃圾数据

1 #include <stdio.h>
2 
3 int main()
4 {
5     int c;
6     
7     printf("%d", c);
8     return 0;
9 }

注意第5行的变量c，只是定义了变量，并没有给它赋初值。输出结果：

1606422622

可以发现，变量c里面存储的是一些乱七八糟的数据

 

 

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05-进制

本文目录

• 一、十进制
• 二、二进制
• 三、八进制
• 四、十六进制
• 五、进制总结
• 六、变量与进制
• 七、printf的简单使用

上一讲简单介绍了常量和变量，这讲补充一点计算机的基础知识---进制。

我们先来看看平时是如何表示一个整数的，最常见的肯定是用阿拉伯数字表示，比如“十二”，我们可以用12来表示，其实这种表示方式是基于一种叫做“十进制”的计数方式。“进制”是一种计数方式，编程中常见的进制有4种：十进制、二进制、八进制、十六进制。也就是说，同一个整数，我们至少有4种表示方式。

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一、十进制

1.概念

十进制是我们最熟悉、最常用的一种计数方式，它有两个特点：由0、1、2….9十个基本数字组成；运算规则是“逢十进一”。

 

2.运算

所谓“逢十进一”，似乎在小学数学中都已经学过了，也就是当数值满十时，就要向前进一位

个位数为9+1，满十了，十位数就进一。

 

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二、二进制

1.概念

二进制是计算机内部使用的一种计数方式，它有两个特点：由0、1两个基本数字组成；运算规则是“逢二进一”。

 

2.细节

1> 有人可能会问：为什么二进制里面没有2~9这些数字呢？都说了，逢二进一，因此当数字满二的时候就会进位。

2> 如果我写个1010，你能看出它是二进制还是十进制么？为了跟其他进制区分开来，书写二进制数的时候，需要以0b或者0B开头。比如0b1010是个二进制数，而1010则还是我们熟悉的十进制数，就是“一千零一十”

 

3.运算

做个简单的运算吧，比如1+1

个位数是1+1，值满二了，于是十位数要进一。因此，在二进制中：1 + 1 = 0b10，这里的0b10表示的是十进制中的“二”，并不是“十”。

 

以此类推，11 + 1 = 0b100

 

 

4.二进制转为十进制

1> 用二进制表示数值，虽然简单、方便，但是不容易阅读，比如随便给出个二进制数0b110111101010，你能立刻看出它表示的是什么数值吗？一般需要将二进制数转为十进制数后才能知道代表的什么数值。

进制里面有个“基数”的概念，基数是用来计算数值的，比如十进制的基数是10，因此十进制是这样算数的：

1230 = 0 * 10⁰ + 3 * 10¹ + 2 * 10² + 1 * 10³ = 0 * 1 + 3 * 10 + 2 * 100 + 1 * 1000

二进制的基数是2，以此类推：

0b1011 = 1 * 2⁰ + 1 * 2¹ + 0 * 2² + 1 * 2³ = 1 * 1 + 1 * 2 + 0 * 4 + 1 * 8 = 1 + 2 + 0 + 8 = 11

因此二进制数0b1011表示的数值是十进制中的11

 

2> 一位二进制数能表示的最大值是1，而n位二进制数所能表示的最大值是0b111...1111，也就是说n位二进制数都是1，那么它的十进制数值为：

1 * 2⁰ + 1 * 2¹ + 1 * 2² + 1 * 2³ + .... + 1 * 2^n-1 = 2ⁿ - 1

因此，n位二进制数所能表示的最大值是2ⁿ - 1。也就是说，4位二进制数能表示的最大值是0b1111，十进制数值为：2⁴ - 1 = 15；5位二进制数能表示的最大值是2⁵ - 1 = 31。

 

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三、八进制

1.概念

八进制有两个特点：由0~7八个基本数字组成；运算规则是“逢八进一”。

 

2.细节

由于十进制和八进制中都包含了0~7，为了区分开来，在书写八进制数的时候，需要在前面加个0。比如076是个八进制数，76则是个十进制数。

 

3.运算

个位数是7+1，值满八了，于是十位数要进一。因此，在八进制中，7 + 1 = 010。010则表示十进制中的“八”，而不是“十”

 

4.八进制转十进制

八进制的基数是8，因此027计算出来就是十进制中的23

027 = 7 * 8⁰ + 2 * 8¹ = 7 * 1 + 2 * 8 = 23

 

5.二进制转八进制

不难发现一个十进制数可以表示的最大值是9，而一个八进制数可以表示的最大值是7，恰好3个二进制数可以表示的最大值0b111也是7。因此，我们可以用一个八进制数来代替3个二进制数。

0b11110011 = 0b 011  110  011  = 0363

如果是八进制转为二进制，那就反过来，用3位二进制数来表示1位八进制数

025 = 0b 010  101 ₌ 0b10101

 

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四、十六进制

1.概念

十六进制有两个特点：由0~9和A~F组成，A~F分别表示10~15；运算规则是“逢十六进一”。

 

2.细节

由于十进制、八进制、十六进制中都包含了0~7，为了区分开来，在书写十六进制数的时候，需要在前面加个0x或者0X。比如0x76是个十六进制数，076是个八进制数，76则是个十进制数。

 

3.运算

个位数是B+5，也就是11+5，值满十六了，于是十位数要进一。因此，在十六进制中，B + 5 =0x10。0x10则表示十进制中的“十六”，而不是“十”

 

4.十六进制转十进制

十六进制的基数是16，F表示十进制中的15，因此0x2F计算出来就是十进制中的47

0x2F = 15 * 16⁰ + 2 * 16¹ = 15 * 1 + 2 * 16 = 47

 

5.二进制转十六进制

一个十六进制数可以表示的最大值是15，恰好4个二进制数可以表示的最大值0b1111也是15。因此，我们可以用一个十六进制数来代替4个二进制数。

0b11110011 = 0b 1111  0011  = 0xF3

如果是十六进制转为二进制，那就反过来，用4位二进制数来表示1位十六进制数

0x25 = 0b 0010  0101=0b100101

 

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五、进制总结

1.一个整数“十二”的4种表示方式分别如下：

十进制：12

二进制：0b1100

八进制：014

十六进制：0xC

 

2.其实也可以利用Mac中的计算器软件来测试进制之间的转换。

设置计算机的显示模式为“编程器”

先选择10进制，然后输入12，底部显示的二进制数为1100，这里省略最前面的0b

选择八进制，显示为14，这里省略了最前面的0

选择十六进制，显示为0xC

 

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六、变量与进制

1.上一讲学习了变量的使用，简单回顾一下

1 int main()
2 {
3     int a = 10;
4     return 0;
5 }

在第3行定义了一个变量a，存储的是十进制整数10。其实，这个变量a在内存中是以二进制数的形式存储的，10的二进制形式是1010。

 

2.除了十进制整数，还可以将其他进制的整数赋值给整型变量

 1 int main()
 2 {
 3     int a = 0b110; // 十进制数：6
 4     
 5     int b = 021; // 十进制数：17
 6     
 7     int c = 12; // 十进制数：12
 8     
 9     int d = 0x1D; // 十进制数：29
10     
11     return 0;
12 }

上面的代码中，分别将4种不同进制的数值赋值给不同的整型变量。对应的十进制数值已经写在右边的注释中。它们最终都是以二进制的形式存储在内存中。

 

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七、printf的简单使用

1.用printf输出整型变量

前面给变量赋值了各种进制的整数，究竟这些整数的十进制形式为多少呢？我们自己可以换算出来，不过总是自己去算，太麻烦了，我们可是程序员，应该利用程序帮我们算出来。前面已经学过printf("Hello World");语句的作用是在屏幕输出Hello World这一串内容。我们其实也可以利用printf将一个变量输出到屏幕，看看这个变量的值究竟为多少。

这个printf看起来好像是你往它的小括号里面放什么内容，它就会在屏幕上输出什么内容，但是printf的用法有讲究的，像下面的写法就是错误的：

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 int main()
 4 {
 5     int a = 0x1D;
 6     
 7     printf(a);
 8     
 9     return 0;
10 }

有人可能会疑惑，为什么有时需要#include <stdio.h>，有时又不需要#include <stdio.h>？这个暂时不去详细讨论，你先记住只要用了printf，就要添加#include <stdio.h>。

在第5行定义了变量a，初值为一个十六进制数。在第7行想通过printf输出变量a的数值，但是第7行的写法是错误的。 要想利用printf输出一个整型变量，就必须先说明输出的格式，比如是以十进制格式输出还是以八进制格式输出？

 

下面的写法才是正确的：

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 int main()
 4 {
 5     int a = 0x1D;
 6     
 7     printf("变量a的值为%d", a);
 8     
 9     return 0;
10 }

注意看第7行，左边双引号括住的内容代表着要输出到屏幕的内容，不过并不是直接将 "变量a的值为%d" 输出到屏幕。%d是一种格式符，它的意思是用右边变量a的值替代%d的位置进行输出，并且以十进制格式输出。说白了，格式符是用来控制输出格式的。

程序在终端上的运行结果是：

可以发现，输出了"变量a的值为29"，0x1D的十进制数值确实是29，说明这个输出是正确的。但是这个29跟后面的英文连在一起了，非常难看，这时候我们可以在%d的后面加一个\n表示回车换行。

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 int main()
 4 {
 5     int a = 0x1D;
 6     
 7     printf("变量a的值为%d\n", a);
 8     
 9     return 0;
10 }

注意第5行的改变：在%d的后面加了个\n，表示将变量a以十进制格式输出后进行回车换行。

这时候的运行结果是：

这样就可以明显地看到这个29了

 

2.printf支持的格式符

除开%d，printf还支持很多格式符，如下表所示(红色表示常用)，这份表格的内容不用去死记，用到时再回来查资料即可

接下来简单演示一下%x的使用，它的功能是以十六进制形式输出整数

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 int main()
 4 {
 5     int a = 17;
 6     
 7     printf("%x\n", a);
 8     
 9     return 0;
10 }

在第5行定义了变量a，存储的是十进制整数17，在第7行让变量a以十六进制形式输出，运行结果是：

可以发现，十进制整数17以十六进制形式输出就是11，这是正确的。

 

3.printf可以同时输出多个数值

看下面代码，利用printf同时输出多个数值

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 int main()
 4 {
 5     int age = 17;
 6     
 7     int no = 10;
 8     
 9     printf("age = %d, no = %d\n", age, no);
10     
11     return 0;
12 }

注意看第9行，左边的双引号内有2个%d，age的值会代替第一个%d进行输出，no的值会代替第二个%d进行输出，并且都是以十进制形式输出。输出结果：

 

4.printf也可以输出常量

1 #include <stdio.h>
2 
3 int main()
4 {
5     
6     printf("输出的常量为%d\n", 11);
7     
8     return 0;
9 }

注意第6行，右边的是一个整型常量11，它会代替%d的位置进行输出。输出结果：

用了半天，似乎还是没有说到printf究竟是个什么东西，这个会放到后面详细讨论，它还有其他复杂用法。

 

 

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