【C/C++】数据在内存中的存储
数据在内存中的存储
1.整数在内存中的存储
在讲解操作符的时候，我们就讲过了下⾯的内容： 整数的2进制表⽰⽅法有三种，即原码、反码和补码
有符号的整数，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”，最⾼位的⼀位是被当做符号位，剩余的都是数值位。
正整数的原、反、补码都相同。
负整数的三种表示方法各不相同。
原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成⼆进制得到的就是原码。
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反码。
补码：反码+1就得到补码。
对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是⼆进制的补码。
为什么呢？
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。
2.大小端字节序和字节序判断
当我们了解了整数在内存中存储后，我们调试看⼀个细节：
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#include <stdio.h>int main()
{int a = 0x11223344;return 0;
}调试的时候，我们可以看到在a中的 0x11223344 这个数字是按照字节为单位，倒着存储的。这是为什么呢？
在这里插入图片描述
1.整数在内存中存储的是二进制补码
2.在调试窗口中观察内存时，为了方便展示，显示的是16进制的值
3.存储的顺序是倒过来的
2.1 什么是大小端？
其实超过⼀个字节的数据在内存中存储的时候，就有存储顺序的问题，按照不同的存储顺序，我们分 为大端字节序存储和⼩端字节序存储，下⾯是具体的概念：
⼤端（存储）模式：
是指数据的低位字节内容保存在内存的高地址处，⽽数据的⾼位字节内容，保存在内存的低地址处。
⼩端（存储）模式：
是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，⽽数据的⾼位字节内容，保存在内存的⾼地址处。
0x11223344中0x44是低位
在这里插入图片描述
2.2 为什么有⼤⼩端?
为什么会有⼤⼩端模式之分呢？
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位，但是在C语⾔中除了8bit的 char 之外，还有16bit的 short 型，32bit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。
2.3.1 练习1
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。（10分）-百度笔试题
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//代码1 #include <stdio.h>int check_sys()//封装成函数{int i = 1;//0x00 00 00 01return (*(char *)&i);//得到第一个字节 01 00 00 00// 00 00 00 01}int main(){int ret = check_sys();if(ret == 1){printf("⼩端\n");}else{printf("⼤端\n");}return 0;}
//代码2
int check_sys()
{union{int i;char c;}un;un.i = 1;return un.c;
}2.3.2 练习2
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#include <stdio.h>
int main()
{ //abc都是 11111111(补码)//并且我们要知道整型提升时 有符号的高位补1 无符号的高位补0char a = -1;//a整型提升为11111111111111111111111111111111signed char b = -1;//b与a一样unsigned char c = -1;//c整型提升为00000000000000000000000011111111printf("a = %d, b = %d, c = %d", a, b, c);//所以结果为-1 -1 255return 0;
}关于整型提升的内容详见操作符讲解(下)
需要补充的是
char—1个字节—8bit位—所以有2的8次方种（256）可能性 也就是256种取值
其中最高位为符号位
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由此可见signed char类型的范围是 –128~127
unsiged char类型的范围是 0~255
2.3.3 练习3
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#include <stdio.h>
int main()
{char a = -128;//内存中存的是32位 但char只能取8位//10000000000000000000000010000000//01111111111111111111111101111111//11111111111111111111111110000000//10000000-a//a的补码是10000000 a是char类型 首先整型提升printf("%u\n",a);//11111111111111111111111110000000 整型提升（有符号）//%u认为a中存放的是无符号数 此时补码就等于原码 所以会输出一个很大的数4394967168return 0;
}%u的形式打印是认为a种存放的是无符号数
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#include <stdio.h>
int main()
{char a = 128;//不可能是128 因为范围是-128~127//00000000000000000000000010000000//10000000-a//整型提升后11111111111111111111111110000000printf("%u\n",a);return 0;
}2.3.4 练习4
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#include <stdio.h>
#include <string.h>int main()
{char a[1000];//0~999int i;for(i = 0; i < 1000; i++){a[i] = -1 - i;//-1 -2 -3 ...-128}printf("%d", strlen(a));//求的是字符串长度，统计的是\0之前的字符个数 \0的ASCII码是0//255return 0;
}
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2.3.5 练习5
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#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{//unsigned char 0~255for(i = 0; i <= 255; i++)//i<=255恒成立 所以程序死循环{printf("hello world\n");}return 0;
}代码语言：javascript
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#include <stdio.h>
int main()
{unsigned int i;for(i = 9; i >= 0; i--)//i>=0 程序死循环{printf("%u\n",i);}return 0;
}2.3.6 练习6
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#include <stdio.h>
//X86环境 ⼩端字节序
int main()
{int a[4] = { 1, 2, 3, 4 };int *ptr1 = (int *)(&a + 1);//&a是整个数组的地址 int(*)[4]类型int *ptr2 = (int *)((int)a + 1);//(int)a 把地址转成int型printf("%x, %x", ptr1[-1], *ptr2);//%x是打印16进制 ptr[-1]就是*(ptr-1)return 0;
}1.指针+1，取决于指针类型
2.整数+1，就是+1
ptr1是int*类型 +1或者-1跳过一个整型
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所以结果为4
ptr2是int*类型 往后解读4位
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因为是小端字节序 所以结果为(0)2000000
3.浮点数在内存中的存储
常⻅的浮点数：3.14159、1E10等，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 练习
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#include <stdio.h>
int main()
{int n = 9;float *pFloat = (float *)&n;printf("n的值为：%d\n", n);//9 //9的二进制为00000000000000000000000000001001printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//0.000000 说明整型与浮点数在内存中的存储形式不一样//把00000000000000000000000000001001看成小数存储 s=0 ,E全为0，000000000000000000001001是M 真实E为1-127=-126 有效数字M取出后不再加上第一位的1//(-1)^0*0.000...01001*2^-126约等于0*pFloat = 9.0;printf("n的值为：%d\n", n);//1091567616printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000return 0;
}3.2 浮点数的存储
上⾯的代码中， n 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。
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：
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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。
进制的-5.0，写成⼆进制是 -101.0 ，相当于-1.01*2 ；那么，S=1，M=1.01，E=2。
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十进制的5.5不是101.101而是101.1对应1.011*2^2(移动几位就是几次方)2^-1IEEE754规定：
对于32位的浮点数(float)，最⾼的1位存储符号位S，接着的8位存储指数E，剩下的23位存储有效数字M
对于64位的浮点数(double)，最⾼的1位存储符号位S，接着的11位存储指数E，剩下的52位存储有效数字M
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3.2.1 浮点数存的过程
IEEE754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。
IEEE754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（unsignedint）
这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0到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IEEE754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 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。
这样的浮点数存储⽅式很巧妙，但是我们也要注意到有的浮点数是⽆法精确保存的。⽐如:1.2，我们可 以在VS上调试看⼀下，我们发现会有些许误差。
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3.2.2 浮点数取的过程
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（常规情况）
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* ，其 阶码为-1+127(中间值)=126，表⽰为01111110，⽽尾数1.0去掉整数部分为0，补⻬0到23位 00000000000000000000000，则其⼆进制表⽰形式为:
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0 01111110 00000000000000000000000E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。
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1.xxx*2^–127约等于0
0 00000000 00100000000000000000000E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）；
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1.xxx*2^128 非常大 2的32次方是42亿多
0 11111111 000100000000000000000003.3 题⽬解析
下⾯，让我们回到⼀开始的练习
先看第1环节，为什么 9 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？
9以整型的形式存储在内存中，得到如下⼆进制序列：
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0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
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这个32位的⼆进制数，被当做整数来解析的时候，就是整数在内存中的补码，原码正是 1091567616 。