C语言自学--数据在内存中的存储
目录
1、整数在内存中的存储
2. 大小端字节序和字节序判断
2.1、 什么是大小端？
2.2 、大小端模式的起源
2.3 练习
2.3.1 、练习1
2.3.2、练习2
2.3.3、练习3
2.3.4 、练习4
2.3.5、练习5
3. 浮点数在内存中的存储
3.1、练习1
3.2 浮点数的存储
3.2.1 浮点数存储过程
3.2.2 浮点数的取过程
1、整数在内存中的存储
关于整数的二进制表示方法，我们之前在学习操作符时已经介绍过三种形式：原码、反码和补码。这三种表示方法都具有以下共同特点：
- 表示结构由符号位和数值位组成
- 符号位统一规定：0表示"正"，1表示"负"
- 数值位的最高位作为符号位，其余为实际数值位
具体特性如下：
- 正整数：原码、反码和补码表示完全相同
- 负整数：三种表示方法各有不同：
- 原码：直接将数值按正负数形式转换为二进制
- 反码：保持符号位不变，其余位按位取反
- 补码：在反码基础上加1得到
在计算机系统中，整形数据以补码形式存储在内存中，主要原因如下：
- 补码表示法能够统一处理符号位和数值域；
- 使用补码可以简化CPU设计，使加减法运算都能通过加法器实现；
- 补码与原码之间的转换运算过程相同，无需额外的硬件电路支持。
这种设计既优化了计算效率，又降低了硬件实现的复杂度。
2. 大小端字节序和字节序判断
在掌握了整数在内存中的存储方式后，我们来深入探讨一个调试细节：
#include <stdio.h>
int main()
{int a = 0x11223344;return 0;
}
在调试过程中，我们可以观察到变量a中存储的0x11223344这个数值是以字节为单位进行倒序存储的。
2.1、 什么是大小端？
当数据超过一个字节时，在内存中的存储顺序就变得重要。根据不同的存储顺序，可分为大端字节序和小端字节序两种模式：
- 大端存储模式：数据的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址处
- 小端存储模式：数据的低位字节存储在内存的低地址处，高位字节存储在内存的高地址处
掌握这两个概念有助于准确区分大小端模式。
2.2 、大小端模式的起源
大小端模式的出现源于计算机系统的基本存储特性。计算机以字节（8位）为基本寻址单位，但编程语言中存在多种数据宽度（如16位的short型、32位的long型）。当处理器位宽超过8位时（如16位或32位处理器），就必须解决多字节数据的存储顺序问题，这就产生了大小端两种存储模式。
举例说明： 假设一个16位的short型变量x，其内存地址从0x0010开始，高字节为0x11，低字节为0x22。在大端模式中，高字节0x11存储在低地址0x0010，低字节0x22存储在高地址0x0011，整体表示为0x1122。小端模式则完全相反。
典型应用：
- X86架构采用小端模式
- Keil C51编译器使用大端模式
- 多数ARM和DSP处理器采用小端模式
- 部分ARM处理器支持通过硬件配置选择大小端模式
2.3 练习
2.3.1 、练习1
题目：简述大端字节序和小端字节序的概念，并设计一个程序来判断当前机器的字节序。（10分）- 百度笔试题
解答：
-
概念：
- 大端字节序：数据的高字节存储在低地址，低字节存储在高地址。
- 小端字节序：数据的低字节存储在低地址，高字节存储在高地址。
-
判断程序（C语言实现）：
#include <stdio.h>int check_endian() {int num = 1;char *ptr = (char *)#return (*ptr == 1) ? 0 : 1; // 0表示小端，1表示大端 }int main() {if (check_endian()) {printf("Big Endian\n");} else {printf("Little Endian\n");}return 0; }2.3.2、练习2
-
#include <stdio.h>int main(){char a= -1;signed char b=-1;unsigned char c=-1;printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);return 0;}
2.3.3、练习3
#include <stdio.h>int main(){char a = -128;printf("%u\n",a);return 0;}#include <stdio.h>int main(){char a = 128;printf("%u\n",a);return 0;} 这两段代码的输出结果相同，都会打印 4294967168。以下是详细分析：
原因分析
char 类型在大多数系统中默认是 signed char，范围是 -128 到 127。当赋值为 128 或 -128 时，存储的二进制值相同（10000000），但解释方式不同。
赋值 char a = 128 时，128 超出 signed char 范围，发生溢出，实际存储的是 -128（二进制补码为 10000000）。
赋值 char a = -128 时，直接存储 -128 的补码 10000000。
输出解析
printf 使用 %u 格式化输出时，a 会被提升为 unsigned int。对于 signed char 类型：
- 若
a为负数（如-128），提升为unsigned int时会进行符号扩展，高位补1。-128的补码10000000扩展为11111111 11111111 11111111 10000000，即4294967168。 - 若
a为正数，高位补0，但此例中a实际为-128，因此结果相同。
关键点
- 二进制补码存储：
128和-128在char中存储的二进制相同。 - 整数提升：
char在参与表达式或格式化输出时会被提升为int（或unsigned int）。 - 符号扩展：负数提升时会填充高位
1，导致最终数值巨大。
2.3.4 、练习4
#include <stdio.h>
int main()
{char a[1000];int i;for (i = 0; i < 1000; i++){a[i] = -1 - i;}printf("%d", strlen(a));return 0;
}字符数组赋值
char a[1000]; 声明了一个长度为1000的字符数组。char类型在大多数系统中占用1字节（8位），取值范围为-128到127（有符号）或0到255（无符号）。此处假设为有符号类型。
循环中，a[i] = -1 - i; 对数组进行赋值：
- 当
i=0时，a[0] = -1； - 当
i=1时，a[1] = -2； - 依此类推。
当i=127时，a[127] = -128（char的最小值）。
当i=128时，a[128] = -129，超过了char的表示范围，发生溢出。根据补码规则，-129的二进制表示为11111111 01111111（假设16位），截取低8位为01111111，即127。
继续递增时，a[129] = -130，截断为126，依此类推，直到a[255] = -256，截断为0。
字符串终止符
strlen函数计算字符串长度时，从起始地址开始扫描，直到遇到第一个'\0'（ASCII值为0）为止。根据上述赋值逻辑：
a[255] = 0，因此strlen(a)会在a[255]处停止。- 前面的有效字符为
a[0]到a[254]，共255个字符。
输出结果
最终输出strlen(a)的结果为255。这是因为strlen统计的是'\0'之前的字符数量。
关键点总结
char类型的溢出行为导致赋值从-1递减到0。strlen依赖'\0'作为终止符，因此长度为255。
2.3.5、练习5
#include <stdio.h>
int main()
{int a[4] = { 1, 2, 3, 4 };int* ptr1 = (int*)(&a + 1);int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);printf("%#x,%#x", ptr1[-1], *ptr2);return 0;
}代码分析
该代码涉及指针运算和数组内存布局，需要逐步拆解其行为。
数组初始化
int a[4] = { 1, 2, 3, 4 };
数组a在内存中的布局（假设小端存储，int为4字节）：
地址偏移 | 字节内容（十六进制）
0x00 | 01 00 00 00 // a[0] = 1
0x04 | 02 00 00 00 // a[1] = 2
0x08 | 03 00 00 00 // a[2] = 3
0x0C | 04 00 00 00 // a[3] = 4
指针运算解析
int *ptr1 = (int *)(&a + 1);
&a是数组指针，类型为int(*)[4]。&a + 1会跳过整个数组（16字节），指向数组末尾后的地址。ptr1[-1]等价于*(ptr1 - 1)，即从ptr1回退4字节，指向a[3]的地址，值为4。
int *ptr2 = (int *)((int)a + 1);
(int)a将数组首地址转为整数值。(int)a + 1使地址增加1字节（非4字节），指向a[0]的第二个字节。- 转换为
int*后，*ptr2会从该地址读取4字节（可能引发未对齐访问，实际行为依赖平台）。
假设小端机器： 从a[0]的第二个字节开始读取4字节，会组合a[0]的后3字节和a[1]的第1字节：
原内存布局：01 00 00 00 02 00 00 00...
读取的4字节：00 00 00 02
小端解析为：0x02000000（十进制33554432）
输出结果
printf("%x,%x", ptr1[-1], *ptr2);
ptr1[-1]输出4的十六进制形式：4。*ptr2输出0x02000000的十六进制形式：2000000（具体值依赖字节序）。
最终答案
在小端机器上，程序输出为：
4,2000000
注意：若平台禁止未对齐访问或使用大端序，结果可能不同。
3. 浮点数在内存中的存储
常见的浮点数包括：3.14159、1E10等。
浮点数家族的具体表示范围可在标准头文件 float.h 中查看定义。
3.1、练习1
#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);
}代码功能分析
该代码演示了C语言中指针类型转换对数据解释的影响，通过整型与浮点型的指针转换，展示同一内存空间在不同类型下的二进制解释差异。
关键代码解析
int n = 9;
float* pFloat = (float*)&n;
将整型变量n的地址强制转换为浮点型指针，使同一内存空间可通过两种类型访问。由于整型和浮点型的二进制存储格式不同，会导致数据解释差异。
第一次输出结果
printf("n的值为：%d\n",n); // 输出整型值9
printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat); // 输出将整型9的二进制解释为浮点数的结果
整型9的二进制表示为00000000 00000000 00000000 00001001，按IEEE 754浮点数标准解释时，会得到一个极小的非规格化数（约1.4e-45）。
第二次输出结果
*pFloat = 9.0;
printf("num的值为：%d\n",n); // 输出将浮点9.0的二进制解释为整数的结果
printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat); // 正常输出浮点值9.0
浮点数9.0的二进制表示为0 10000010 00100000 00000000 00000000（十六进制0x41100000），转为十进制整数值为1091567616。
核心原理
- 类型双关（Type Punning）：通过不同类型指针访问同一内存区域
- IEEE 754标准：浮点数采用符号位+指数位+尾数位的存储格式
- 整型存储：直接采用补码形式存储
典型运行结果：
n的值为：9
*pFloat的值为：0.000000
num的值为：1091567616
*pFloat的值为：9.000000
3.2 浮点数的存储
在上面的代码中，虽然num和*pFloat指向的是内存中的同一个数，但为何浮点数与整数的解读结果会有如此大的差异？要理解这一现象，关键在于掌握浮点数在计算机内部的表示方法。
根据国际标准IEEE 754，任意一个二进制浮点数V可以表示为以下形式：
V = (-1)^S × M × 2^E
其中：
- S表示符号位：当S=0时，V为正数；当S=1时，V为负数
- M表示有效数字，其取值范围为1 ≤ M < 2
- E表示指数位
举例说明：
- 十进制数5.0的二进制表示为101.0，相当于1.01×2^2。根据上述公式，可得S=0，M=1.01，E=2。
- 十进制数-5.0的二进制表示为-101.0，相当于-1.01×2^2。此时S=1，M=1.01，E=2。
IEEE 754标准规定：
- 对于32位浮点数：
- 最高1位存储符号位S
- 接下来的8位存储指数E
- 剩余的23位存储有效数字M
- 对于64位浮点数：
- 最高1位存储符号位S
- 接下来的11位存储指数E
- 剩余的52位存储有效数字M
3.2.1 浮点数存储过程
IEEE 754标准对有效数字M和指数E有特殊规定：
-
有效数字M的处理
根据规定，1≤M<2，因此M可以表示为1.xxxxxx的形式（xxxxxx为小数部分）。存储时，默认第一位总是1，故只需保存后面的xxxxxx部分。例如存储1.01时，仅保存01，读取时再补回第一位。这种设计可节省一位存储空间：以32位浮点数为例，实际23位存储空间通过此法可保存24位有效数字。 -
指数E的处理
E作为无符号整数，其存储需要特殊处理：- 8位E的取值范围：0~255
- 11位E的取值范围：0~2047
由于科学计数法允许负指数，IEEE 754规定存储时需将真实E值加上固定偏移量：
- 8位E的偏移量：127
- 11位E的偏移量：1023
例如：2^10的E=10，在32位浮点数中存储为10+127=137（二进制10001001）。
3.2.2 浮点数的取过程
指数E的提取可分为三种情况：
- E不全为0且不全为1时： 浮点数采用以下规则表示：
- 将指数E的计算值减去127（或1023）得到真实值
- 在有效数字M前补上隐含的1
例如：0.5的二进制形式为0.1
- 根据规范，正数部分必须为1，故将小数点右移1位得到1.0×2^(-1)
- 阶码计算：-1 + 127 = 126，对应二进制01111110
- 尾数处理：1.0去掉整数部分为0，补齐23个0得到00000000000000000000000 最终二进制表示为：0 01111110 00000000000000000000000
0 01111110 00000000000000000000000当E全为0时，浮点数的指数E实际值为1-127（或1-1023）。此时有效数字M不再需要补上首位的1，而是直接表示为0.xxxxxx的小数形式。这种设计是为了准确表示±0以及接近零的极小数值。
0 11111111 000100000000000000000003.3 题目解析
现在，让我们回到最初的练习题。
首先看第一个问题：为什么将整数9转换为浮点数后，结果却显示为0.000000？
这是由于整数9在内存中以整型形式存储时，对应的二进制序列为：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001首先，将9的二进制序列按照浮点数格式进行拆分：
- 符号位s=0（1位）
- 指数E=00000000（8位）
- 有效数字M=00000000000000000001001（23位）
由于指数E全为0，符合特殊情况。因此浮点数V的计算公式为： V = (-1)^0 × 0.00000000000000000001001 × 2^(-126) = 1.001 × 2^(-146) 显然，V是一个极小的正数，接近于0，故十进制表示为0.000000。
接下来分析浮点数9.0：
- 二进制表示为1001.0
- 科学计数法形式：1.001 × 2^3
因此： 9.0 = (-1)^0 × (1.001) × 2^3
各组成部分：
- 符号位S=0
- 有效数字M=001（补全至23位）
- 指数E=3+127=130（二进制10000010）
最终二进制表示为S+E+M的组合。
0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000这个32位二进制数作为整数解析时，以补码形式存储在内存中，其原码对应值为1091567616。