【c语言】深度剖析数据在内存中的存储
目录
1.数据类型介绍
1.1类型的基本分类
2.整型在内存中的存储
2.1 原码，反码，补码
2.2 大小端
3.浮点数在内存中的存储
3.1 浮点数的存储规则
1.数据类型介绍
char //字符数据类型short //短整型int //整形long //长整型（省略了int）long long //更长的整形float //单精度浮点数double //双精度浮点数
数据类型的意义：
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类型的基本分类
整型
- char ——字符在内存中存储的是字符的ASCII码值，ASCII码值是整型，字符归类到整型
- unsigned char
- signed char 注意：char是否有符号c语言标准没有规定，取决于编译器，如果需要符号，定义时就明确变量类型；ASCII表中规定的码值范围0~127，字符不能是负数，但char所占的8个比特位有能力表示一些小范围的负数（最高位为符号位）
- shor int
- unsigned short [int]
- signed short [int]
- int——等同于signed int
- unsigned int
- signed int
- long
- unsigned long [int]
- signed long [int]
浮点数
floatdouble
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.整型在内存中的存储
2.1 原码，反码，补码
计算机能够处理的是二进制的数据。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“负正数的原、反、补码都相同。负整数的的原码，反码，补码需要计算整数在内存中存储的是补码的二进制序列
注意：为什么数据在内存中以补码的形式存储？
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；（符号位也参与运算）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。（乘法可以变为加法，除法可以变为减法）
int main() {
int a = -10; //4个字节 - 32个bit位
//10000000000000000000000000001010-原码
//11111111111111111111111111110101-反码
//1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110-补码
// f f f f f f f 6
// 16进制表示：0x ff ff ff f6
//4个二进制位为一个16进制位，一个字节等于8个二进制位等于两个16进制位
return 0;
}
为什么上图a在内存中的存储顺序是反的？
2.2 大小端
什么是大端小端：
大端字节序（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；小端字节序（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；0x11223344:高字节：11；低字节：44（类比：123的高位和低位）
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。我们常用的 X86 结构是小端模式，而 KEIL C51 （单片机）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：设计一个小程序来判断当前机器的字节序。
#include <stdio.h>
int main() {
int a = 1;//体会使用1的好处
char* pa = (char*)&a;//注意强制类型转换
if (*pa == 1)
printf("小端\n");
else
printf("大端\n");
return 0;
}简化：封装函数check_sys;
#include <stdio.h>
int check_sys() {
int a = 1;
return *(char*)&a;//使用1的好处
//不能返回 (char)a;
//上面的写法是将a的值从内存中取出然后强制类型转换为char型，a的值还是1
//需要返回的是a存入内存中时的低位是什么
}
int main() {
if (check_sys() == 1)
printf("小端\n");
else
printf("大端\n");
return 0;
}练习2：输出什么？
int main()
{
char a = -1;
//-1的补码：11111111111111111111111111111111
//存入char类型的变量中：11111111
//整型提升：11111111111111111111111111111111
//原码：10000000000000000000000000000001
signed char b = -1;
//11111111111111111111111111111111
//原码：10000000000000000000000000000001
unsigned char c = -1;
//无符号数整型提升，高位补0
//整型提升：00000000000000000000000011111111
//以%d形式打印：有符号——最高位为0——正数——原反补相同
//255
printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
return 0;
}练习3：输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
char a = -128;
//-128：原码：10000000000000000000000010000000
// 补码：11111111111111111111111110000000
// 存入char：10000000
//
//%u 以十进制的形式打印无符号整型
//%d 以十进制的形式打印有符号整型
//整型提升：11111111111111111111111110000000
//以%u打印：11111111111111111111111110000000——无符号数原反补相同
printf("%u\n", a);
return 0;
}练习4：输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
char a = 128;//注意:char取值范围:-128~127
//补码：00000000000000000000000010000000
//存入char：10000000
//整型提升：11111111111111111111111110000000
//以%u打印：11111111111111111111111110000000——原反补相同——十进制：4294967168
printf("%u\n", a);
return 0;
}注意：a为384（128+256）也是同样的结果； 重要的是存入char的结果是什么
注意：
当char表示为正数时：
表示的数字有2的七次方 2^7=128个 ，从+0~127。
0 : 0000 0000
127：0111 1111
当char表示为负数时：
表示的数字有2的七次方 2^7=128个 ，从-127~-0。其中-0的原码是： 1000 0000
补码是：1 0000 0000
由于char只取8位，所以截断后变为0000 0000，这与+0所表示的数是一样的，所以为了不能浪费1000 0000这个数值，我们规定用1000 0000这个位来表示-128。
所以char的取值范围是 -128~127
signed char：-128~127 注意：-128存入signed char类型中的补码是10000000
unsigned char 无论多大的之都可以给char类型，但是截断后只在-128~127之间
可以用循环的形式表示：
signed char 
unsigned char
练习5：输出什么？
#include <stdio.h>
int main() {
int i = -20;
//原码：10000000000000000000000000010100
//补码：11111111111111111111111111101100
unsigned int j = 10;
//补码：00000000000000000000000000001010
//算术转换为无符号整数：相加
//11111111111111111111111111101100
//00000000000000000000000000001010
//11111111111111111111111111110110
//以%d打印：
//10000000000000000000000000001010
//-10
printf("%d\n", i + j);
return 0;
}练习6：输出什么？
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main() {
unsigned int i;
for (i = 9; i >= 0; i--) {
printf("%u\n", i);
Sleep(1000);
}
return 0;
}注意：unsigned int实际上也是循环，在0~2^32间循环，for循环的条件恒成立，死循环
short类型-两个字节-16bit
signed short：-32768~32767
unsigned short:0~65535
注意：unsigned int实际上也是循环，在0~2^32间循环
练习7：输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
char a[1000];
int i;
for (i = 0; i < 1000; i++)
{
a[i] = -1 - i;
//i： 0 1 .....127 128....
//arr[i]:-1 -2.....-128 127 .....0
//0前有128个负数和127个正数
//strlen(a)=255
}
printf("%d", strlen(a));
return 0;
}注意：strlen函数计算'\0'之前的字符串的个数；'\0'实际上是八进制数'\ddd'，十进制数0
练习8：
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
for (i = 0; i <= 255; i++)
{
printf("hello world\n");
}
return 0;
}
//死循环3.浮点数在内存中的存储
常见的浮点数：3.141591E10——科学计数法，表示1.0*10^10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
浮点数存储的例子：
#include <stdio.h>
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;
}
可以看到：数据存储的类型和取出的类型不同时，结果也不同，说明整型和浮点型在内存中的存储方式不同
注意：一般都用相同的类型存储，取出，打印
3.1 浮点数的存储规则
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： 二进制下小数点移动时底数是2
- (-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。
浮点数存储的是科学计数法的S，M，E
eg：十进制的5.0，写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2 ，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 。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 。
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。
对于M：
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，后面补0，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 。
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）；
回到之前的例子：
#include <stdio.h>
int main()
{
int n = 9;
//00000000000000000000000000001001_补码
float* pFloat = (float*)&n;
printf("n的值为：%d\n", n);//9
printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//?
// 00000000000000000000000000001001-以浮点型形式取出
// 0 00000000 00000000000000000001001
// S E M
// S-正数
// E->1-127->-126
// M->0.00000000000000000001001
// 科学计数表示法：(-1)^0*0.00000000000000000001001*2^(-126)——二进制
// 转化为十进制也是接近无穷小的数字
// 打印结果：0.000000
//
*pFloat = 9.0;
printf("num的值为：%d\n", n);//?
// 9.0->1001.0->(-1)^0*1.001*2^3——二进制
// E:3+127=130->10000010
// 0 10000010 00100000000000000000000——9.0在内存中的存储
// 以n的视角看01000001000100000000000000000000，为有符号数的补码
// 以%d形式打印：1091567616
//
printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000
return 0;
}