深度刨析数据在内存中的储存
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- 1.数据类型的介绍
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- [1.1 类型的基本归类](#1.1 类型的基本归类)
- [2. 整型在内存中的储存](#2. 整型在内存中的储存)
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- [2.1 原码,反码,补码](#2.1 原码,反码,补码)
- [2.2 大小端介绍](#2.2 大小端介绍)
- 百度2015年系统工程师笔试题👏:
- [2.3 练习](#2.3 练习)
- [3. 浮点型在内存中的储存](#3. 浮点型在内存中的储存)
- [3.1 引例](#3.1 引例)
- [3.2 浮点型储存规则](#3.2 浮点型储存规则)
本章重点
- 数据类型详细介绍
- 整型在内存中的储存
- 大小端字节序介绍及判断
- 浮点型在内存中的存储解析
1.数据类型的介绍
前面我们已经介绍过基本的内置类型,以及他们所占空间的大小
✊类型的意义:
- 使用这个类型开辟内存空间的大小(大小决定了适用范围)
- 如何看待内存空间视角
1.1 类型的基本归类
👻整型家族 :
补:
- 字符在内存中储存ASCII码值,ASCII码值是整型,所以字符类型归纳到整型家族
- signed---有符号
- unsigned---无符号
- char-1字符-8bit
- char是否是signed,C语言没有明确规定,取决于编译器
- ASCII码表中规定ASCII码值得范围是0^127
👻浮点数家族 :
👻构造类型(自定义类型) :
👻指针类型 :
👻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。
补:
2. 整型在内存中的储存
我们之前讲过一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。
那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的?
- 数据在内存中储存(计算机能处理)的都是二进制
- 整型和浮点型在内存中也都是以二进制形式储存
下来了解下面的概念:
2.1 原码,反码,补码
🌚计算机中的整数有三种表示方法,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 ",,而数值位负整数的三种表示方法各不相同。
原码
直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。
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了。
补码反码+1就得到补码
正数的原、反、补码都相同。
对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码
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。
💡我们来看看1-1是如何计算的
💡我们来看看在内存中的储存
我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。
这又是为什么😕?
2.2 大小端介绍
什么大端小端 :
😃大端(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(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
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。
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。
😁上图了解一下:
百度2015年系统工程师笔试题👏:
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。
代码演示:
c
int check_sys()
{
int a = 1;
return *(char*)&a;
}
int main()
{
if (1 == check_sys())
{
printf("小端\n");
}
else
{
printf("大端\n");
}
return 0;
}
分析:
运行结果:
2.3 练习
练习一:
c
int main()
{
char a = -1;
//10000000000000000000000000000001
//11111111111111111111111111111110
//11111111111111111111111111111111
//11111111 - a
signed char b = -1;
//11111111 - b
unsigned char c = -1;
//11111111 - c
//
printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
//%d 是10进制的形式打印有符号的整数
//11111111111111111111111111111111 a/b补码:
//10000000000000000000000000000001 a/b
//00000000000000000000000011111111 c:无符号数高位补0
//
return 0;
}
运行结果:
练习二:
c
#include <stdio.h>
int main()
{
char a = -128;
//10000000000000000000000010000000
//11111111111111111111111101111111
//11111111111111111111111110000000
//10000000 - a
//
//11111111111111111111111110000000
//
printf("%u\n", a);
//
//%u 是10进制的形式,打印无符号的整数
//%d 是10进制的形式,打印有符号的整数
return 0;
}
运行结果:
练习三:
c
char :-128~127
int main()
{
char a = 128;
//00000000000000000000000010000000
//11111111111111111111111110000000 - a
printf("%u\n", a);
//截断
return 0;
}
运行结果:
🔑获得新知识的时候到了:
练习四:
c
int main()
{
int i = -20;
//10000000000000000000000000010100
//11111111111111111111111111101011
//11111111111111111111111111101100
//
unsigned int j = 10;
//00000000000000000000000000001010
//11111111111111111111111111101100
//
//11111111111111111111111111110110
//10000000000000000000000000001001
//10000000000000000000000000001010
printf("%d\n", i + j);//-10
return 0;
}
运行结果:
练习五:
c
int main()
{
unsigned int i;
for (i = 9; i >= 0; i--)
{
printf("%u\n", i);
Sleep(1000);
}
//死循环无符号数都大于零
return 0;
}
运行结果:(死循环)
练习六:
c
int main()
{
char a[1000];
//-1 -2 -3 -4 -5 .. -128 127 .. 6 5 4 3 2 1 0
//128 + 127 = 255
int i;
for (i = 0; i < 1000; i++)
{
a[i] = -1 - i;
}
printf("%d", strlen(a));
//
//strlen 统计的是\0之前出现的字符的个数
//\0 - 0 \ddd
return 0;
}
运行结果:
练习七:
c
unsigned char i = 0;//0~255
int main()
{
unsigned char i = 0
for (i = 0; i <= 255; i++)
{
printf("hello world\n");
}
return 0;
}
运行结果:
3. 浮点型在内存中的储存
🌞常见的浮点数:
3.14159
1E10
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 引例
😺浮点数储存的例子:
c
int main()
{
int n = 9;
//0 00000000 00000000000000000001001
//E=-126
//M = 0.00000000000000000001001
//S=0
//(-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^-126
//
float* pFloat = (float*)&n;//int*
printf("n的值为:%d\n", n);//9
printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);//? 0.000000
*pFloat = 9.0;
//9.0
//1001.0
//(-1)^0 * 1.001 * 2^3
//01000001000100000000000000000000
//
printf("num的值为:%d\n", n);//?-> 1,091,567,616
printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);//9.0
return 0;
}
运行结果:
1,4 结果我们不能想到2,3结果是怎么回事呢😱?让我们来了解下浮点型储存原则吧😕!
3.2 浮点型储存规则
num 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😏。
详细解读:
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:
(-1)^S * M * 2^E----( ^表示次方 )
(-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。
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。
🏃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。
对于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。
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,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。然后,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);
好了,关于浮点数的表示规则,就说到这里。
由浮点型储存规则知识引例便迎刃而解💃💃💃
💘不知不觉,"深度刨析数据"在内存中的储存以告一段落。通读全文的你肯定收获满满,让我们继续为C语言学习共同奋进!!!