C语言-深度剖析数据在内存中的存储

一、数据类型的介绍

基本的内置类型：

char		//字符类型，变量大小为1个字节
short		//短整型，变量大小为2个字节
int			//整型，变量大小为4个字节
long		//长整型，变量大小为4/8个字节
long long	//更长的整型，变量大小为8个字节
float		//单精度浮点型，变量大小为4个字节
double		//双精度浮点型，变量大小为8个字节

1.1 类型的基本归类

整型家族：

charsigned charunsigned char
shortsigned short [int]unsigned short [int]
intsigned intunsigned int
longsigned long[int]unsigned long[int]

注：字符存储的时候，存储的是ASCII码值，是整型，所以归类的时候放在整型家族。

浮点型家族：

float
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

注：数组类型的表示方式：

int arr[10];
//arr的类型就是int [10]
int arr1[8];
//arr1的类型是int [8]
char arr2[5];
//arr2的类型是char [5]
//[]内的数字不能去掉

指针类型：

char* pc
short* ps
int* pi
long* pl
float* pf
double* pd
...

空类型：

void

二、整型在内存中的存储

2.1 原码、反码和补码

计算机中整数有三种二进制表示方式：原码、反码、补码。

三种表示方式均有符号位和数值位两部分，符号位位于最高位，都是用0表示正，用1表示负，而数值位则用0和1表示数据。

正整数的原码，反码和补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同。

例如-10：

原码：
直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制即可表示原码。
-10的原码：10000000 00000000 00000000 00001010

反码：
原码的符号位不变，其他位依次按位取反即可得到反码。
-10的反码：11111111 11111111 11111111 11110101

补码：
反码加1得到补码。
-10的补码：11111111 11111111 11111111 11110110

注：原码到反码的转换有两种方式 取反加1 和 减1取反 。

对于整型来说，内存中存储的是补码。

在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。使用补码可以将符号位和数值位进行统一处理。同时加法和减法也可以统一处理(CPU只有加法处理器)，此外负整数的补码和原码的互相转换(取反后+1)运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

注：本质上内存中存放的是二进制，在VS上为了方便表示，显示的是16进制。

结论：内存中存放的是补码，并且是倒着存放的。

2.2 大小端介绍

大端小端：

小端存储模式：是指数据的低位字节的内容存放到内存的低地址处，把数据高位字节的内容
存放到内存的高地址处。
大端存储模式：是指数据的低位字节的内容存放到内存的高地址处，把数据高位字节的内容
存放到内存的低地址处。

小端：低位低地址，高位高地址。

大端：低位高地址，高位低地址。

设计一个程序判断当前机器的字节序：

//写一个程序判断电脑大小端
//返回1为小端
//返回0为大端
int check_sys()
{int a = 1;                //16进制表示0x00000001return *(char*) & a;
}
int main()
{int ret = check_sys();if (ret == 1){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}
}

注：两个16进制位可以表示一个字节，*(char*)&a的功能是取内存中第一个字节的内容，如果是小端存储，那么*(char*)&a取到的就是01，如果是大端存储，那么*(char*)&a取到的就是00。

2.3 有符号和无符号的区别

有符号(signed)和无符号(unsigned)只针对整型，不针对浮点型。

char到底是signed char还是unsigned char并不确定，但char在VS环境下一般表示signed char。
short = signed short
int = signed int
long = signed long
...

对于signed char和unsigned char来说，8个比特位在内存中存放的二进制的所有可能：

signed char的数值存储范围为-128~127，unsihned char的数值存储范围为0~255，并且这是一个循环的过程。

其他整型类型的表示范围可以在limits.h中查看：

CHAR_MIN, SCHAR_MIN, SHRT_MIN, INT_MIN, LONG_MIN, LLONG_MINCHAR_MAX, SCHAR_MAX, UCHAR_MAX, SHRT_MAX, USHRT_MAX, INT_MAX, 
UINT_MAX, LONG_MAX, ULONG_MAX, LLONG_MAX, ULLONG_MAX

三、浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

浮点数：数学中的小数，并且小数点位置可以浮动
123.45 == 12.345*10^1 == 1.2345*10^2
1E10 == 1.0*10^10
浮点数家族包括：float、double、long double

3.1 浮点数存储规则

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：

V = (-1)^S*M*2^E
(-1)^S表示符号位，当S等于0，V为正数，当S等于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

例如：

5.5		-10进制浮点数
101.1	-转化为二进制浮点数的表示形式
按照上面的格式V = 5.5 == (-1)^0*1.011*2^2
S=0，M=1.011，E=2

IEEE 754规定：

对于32位的浮点数，最高的一位是符号位S，接着8位是指数位E，剩下的23位为有效数字M。

对于64位的浮点数，最高位是符号位S，接着11位是指数位E，剩下的52位为有效数字M。

IEEE 754对有效数字M和指数E还有一些特别的规定。

前面说过，1<=M<2，也就是说M可以写成1.xxxxxxxx的形式，xxxxxxxx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xxxxxxxx部分。比如保存1.011的时候，只保存011，读取的时候再把第一位的1加上去。这样做的目的，是节省一位有效数字。以32位浮点数为例，留给M的位数只有23位，舍去第一个1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是一个无符号整数，这意味着，如果E为8位，它的取值范围是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中的E是10，所以保存为32位浮点数时，必须保存为10+127=137，即10001001。

然后指数E从内存中取出还分为3种情况。

E不全为0或E不全为1：

这时，浮点数就采取下面的规则表示，即指数E的值减去127(或1023)，得到真实值，再将有效数字M前加上第一位的1。

例如：

5.5		-10进制浮点数
101.1	-转化为二进制浮点数的表示形式
按照上面的格式V = 5.5 == (-1)^0*1.011*2^2
S=0，M=1.011，E=2
E存储时为2+127=129
5.5在内存中的存储为：
0 10000001 01100000000000000000000

E全为0：

这时浮点数的指数E的值为-127或-1023，如果有效数字M不再加上第一位的1，
而是还原为0.xxxxxxx的小数，那么E的值就会变为1-127或1-1023。这样做是
为了表示正负0或一个接近0的很小的数字

E全为1：

如果此时有效数字M全为0，表示无穷大，正负由S决定