深度刨析数据在内存中的储存(C语言进阶)

深度刨析数据在内存中的储存

    • 1.数据类型的介绍
      • [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)
      • [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

  1. 数据类型详细介绍
  2. 整型在内存中的储存
  3. 大小端字节序介绍及判断
  4. 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 复制代码
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 复制代码
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 复制代码
#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 复制代码
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 复制代码
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 复制代码
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 复制代码
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 复制代码
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 复制代码
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!!!

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