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《理解数据在内存中的存储 --- 解密数据在计算机底层的存储秘密》

news 2025/11/13 5:40:13

《理解数据在内存中的存储 — 解密数据在计算机底层的存储秘密》

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文章目录

《理解数据在内存中的存储 --- 解密数据在计算机底层的存储秘密》
前言
一、整数在内存中的存储
- 1.1大小端字节序和字节序判断
二、大小端字节序和字节序判断
- 2.1概念
- 2.2 为什么有大小端?
- 2.3 练习
- - 2.3.1 例1
  - 2.3.2 例2
  - 2.3.3 例3
  - - 2.3.3.1
    - 2.3.3.2
  - 2.3.4 例4
  - 2.3.5 例5
  - - 2.3.5.1
    - 2.3.5.2
  - 2.3.6 例6
三、浮点数在内存中的存储
- 3.2 例题
- 3.2 浮点数的存储
- 3.2.1 浮点数存的过程
- - 3.2.1.1对于M的规定
  - 3.2.1.2 对于E的规定
- 3.2.2 浮点数取的过程
- - 3.2.2.2 E不全为0也不全为1
  - 3.2.2.2 E全为0
  - 3.2.2.3 E全为1
- 3.3题目解析
- - 3.3.1 第1环节
  - 3.3.2 第2环节
总结与每日励志

前言

在学习C语言时我们必然会有疑问数据是如何在内存中存储，整数和浮点数的存储方式是一样的吗？带着这个疑问让我们来进入今天的学习吧

一、整数在内存中的存储

整数的2进制表示方式有三种，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。

拓展：为什么对于整形来说数据存放内存中其实存放的是补码呢？
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。

1.1大小端字节序和字节序判断

例：

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 0x11223344;return 0;
}

内存存储：
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二、大小端字节序和字节序判断

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。

2.1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。

2.2 为什么有大小端?

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8bit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：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 练习

2.3.1 例1

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

#include <stdio.h>
int check_sys()
{int i = 1;return (*(char*)&i);
}
int main()
{int a = 1;int ret = check_sys();if (ret == 1){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}return 0;
}

运行结果：
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2.3.2 例2

#include <stdio.h>
int main()
{char a = -1;//-1原码：10000000 00000000 0000000 00000001//反码：  11111111 11111111 1111111 11111110//补码：  11111111 11111111 1111111 11111111//放在char类型中，截断//11111111signed char b = -1;////-1原码：10000000 00000000 0000000 00000001//反码：  11111111 11111111 1111111 11111110//补码：  11111111 11111111 1111111 11111111//放在char类型中，截断//11111111unsigned char c = -1;////-1原码：10000000 00000000 0000000 00000001//反码：  11111111 11111111 1111111 11111110//补码：  11111111 11111111 1111111 11111111//放在char类型中，截断//11111111printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);//-1 -1 255//a整型提升后(整型提升按本身类型来)，再按占位符要求打印//11111111 11111111 11111111 11111111--补码//10000000 00000000 00000000 00000000--反码//10000000 00000000 00000000 00000001--原码// -1//b整型提升后//11111111 11111111 11111111 11111111--补码//10000000 00000000 00000000 00000000--反码//10000000 00000000 00000000 00000001--原码// -1//c整型提升后(无符号整型)，整型提升补0,原反补相同//00000000 00000000 00000000 11111111--补码//00000000 00000000 00000000 11111111--反码//00000000 00000000 00000000 11111111--原码// 255return 0;
}

运行结果：
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2.3.3 例3

2.3.3.1

#include <stdio.h>
int main()
{char a = -128;//-128的原码：10000000 00000000 00000000 10000000//反码：      11111111 11111111 11111111 01111111//补码：      11111111 11111111 11111111 10000000//放在char类型中，截断//10000000printf("%u\n", a);//4294967168//按char类型整型提升//11111111 11111111 11111111 10000000--补码//按占位符%u的要求打印即无符号整型，所以原反补相同，且没符号位//11111111 11111111 11111111 10000000--原码// 4294967168return 0;
}

运行结果：
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2.3.3.2

#include <stdio.h>
int main()
{char a = 128;//128的原码：00000000 00000000 00000000 10000000//反码：     00000000 00000000 00000000 10000000//补码：     00000000 00000000 00000000 10000000//放在char类型中，截断//10000000printf("%u\n", a);// 4294967168//按char类型整型提升//11111111 11111111 11111111 10000000--补码//按占位符%u的要求打印即无符号整型，所以原反补相同，且没符号位//11111111 11111111 11111111 10000000--原码// 4294967168printf("%u\n", a);return 0;
}

运行结果：
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2.3.4 例4

#include <stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{char a[1000];//char类型-128~127int i;for (i = 0; i < 1000; i++){a[i] = -1 - i;}//-1 -2 -3 …… -127，-128，-129//-129超出了范围，解读成127，后面继续这样解读，一直到0//再到-1继续开始循环printf("%zu", strlen(a));// 255//strlen测\0之前的长度。从-127到1，所以是255return 0;
}

运行结果：
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2.3.5 例5

2.3.5.1

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;//unsigned char类型 0~255
int main()
{//所以i<=255恒成立，255+1也会解读成0，再继续循环for (i = 0;i <= 255;i++){printf("hello world\n");//死循环，一直打印}return 0;
}

2.3.5.2

#include <stdio.h>
int main()
{unsigned int i;//无符号整型恒大于0，所以条件一直成立for (i = 9; i >= 0; i--){printf("%u\n", i);//死循环，9 8 …… 0，一个很大的数，一直减小再到0，接着循环}return 0;
}

2.3.6 例6

#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);int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);//转换成整型+1，只跳过一个字节printf("%x,%x", ptr1[-1], *ptr2);//0x 00 00 00 04--4//0x 02 00 00 00--2000000return 0;
}

运行结果：
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三、浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：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

3.2 例题

#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;
}

运行结果：
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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？
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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。十进制的-5.0，写成⼆进制是 -101.0 ，相当于 -1.01×2^2 。那么，S=1，M=1.01，E=2。

IEEE754规定：
对于32位的浮点数，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，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
（1）float类型浮点数内存分配
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(2)double类型浮点数内存分配

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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。

3.2.1.1对于M的规定

因为 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。例保存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。这样做可以节省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

3.2.1.2 对于E的规定

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。例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

3.2.2 浮点数取的过程

3.2.2.2 E不全为0也不全为1

这时，浮点数就采⽤的规则为，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。
例：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*2^(-1)，其阶码为-1+127(中间值)=126，为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐0到23位
00000000000000000000000，则其二进制表表示形式为:

0 01111110 00000000000000000000000

3.2.2.2 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。

1 0 00000000 00100000000000000000000

3.2.2.3 E全为1

如果有效数字M全为0，表示±无穷大（正负取决于符号位s）；

1 0 11111111 00010000000000000000000

3.3题目解析

我们回到3.2的练习

3.3.1 第1环节

9以整型的形式存储在内存中，得到如下二进制序列：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

将 9 的二进制序列按照浮点数的形式拆分，得到第⼀位符号位s=0，后⾯8位的指数E=00000000 ，最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 0000 1001。由于指数E全为0，所以符合E为全0的情况。因此，浮点数V就写成：
V=(-1) ^{×0.00000000000000000001001×2}(-126)=1.001×2^(-146)
显然，V是⼀个很小的接近于0的正数，所以用进制小数表示就是0.000000。

3.3.2 第2环节

浮点数9.0，为什么整数打印是 1091567616
浮点数9.0等于⼆进制的1001.0，即换算成科学计数法是：1.001×2^3
所以：9.0 = (−1) ^0 ∗ (1.001) ∗ 2
那么，第一位的符号位S=0，有效数字M等于001后面再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010所以，写成⼆进制形式，应该是S+E+M，即

1 0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

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

总结与每日励志

✨✨✨本文深入探讨了不同类型数据在计算机内存中的存储方式。首先分析了整数的三种二进制表示方法：原码、反码和补码，解释了CPU使用补码存储的优势。其次详细介绍了大小端字节序的概念及判断方法，通过实际代码演示了如何检测当前机器的字节序模式。文章还通过多个典型例题，如字符与整型转换、数组越界等场景，生动展示了数据存储的底层机制。这些知识对于理解计算机底层原理和解决相关编程问题具有重要意义

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