【C语言】数据在内存中的存储

大家好，我是苏貝，本篇博客介绍数据在内存中的存储，如果你觉得我写的不错的话，可以给我一个赞👍吗，感谢❤️

使用的编译器为VS2019

---

文章目录

• 一.数据类型介绍
• • 类型的基本归类
• 二.整形在内存中的存储
• • [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)
  • [2.3 练习](#2.3 练习)
• 三.浮点型在内存中的存储
• • [3.1 一个例子](#3.1 一个例子)
  • [3.2 浮点数存储规则](#3.2 浮点数存储规则)

一.数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：

char //字符数据类型

short //短整型

int //整形

long //长整型

long long //更长的整形

float //单精度浮点数

double //双精度浮点数

以及他们所占存储空间的大小

类型的意义：

1.使用这个类型可开辟不同内存空间的大小（大小决定了使用范围）。

2.有不同看待内存空间的视角

---

类型的基本归类

1. 整型家族

字符在内存中存储的是字符的ASCII码值，ASCII码是整型，所以字符类型归类到整型家族

char

unsigned char

signed char

short

unsigned short [int]

signed short [int]

int

unsigned int

signed int

long

unsigned long [int]

signed long [int]

其中，short= unsigned short , int=unsigned int , long= unsigned long ，但是char是否= unsigned char取决于编译器，C语言标准并没有规定，在大部分编译器上char= unsigned char

2. 浮点数家族(小数点可以移动)

float

double

3. 构造类型(自定义类型)：

数组类型

结构体类型 struct

枚举类型 enum

联合类型 union

4. 指针类型：

int* pi;

char* pc;

float* pf;

void* pv;

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

---

二.整形在内存中的存储

计算机能够处理的是二进制的数据，整型和浮点型数据在内存中也都是以二进制的形式进行存储的

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？比如：

int a = 20;

int b = -10;

我们知道为 a 分配四个字节的空间。那如何存储？来了解下面的概念：

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有3种二进制表示方法，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"

原码、反码和补码的关系：

正整数的原码、反码和补码相同

负整数的反码=原码除符号位（即首位）全部取反，补码=反码+1

因此，把补码变成原码，可以选择：

（1）补码-1，再除符号位全部取反

（2）补码先除符号位全部取反，再+1

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。

我们看看在内存中的存储：

00000000 00000000 00000000 00001010(a的二进制)

0x 00 00 00 0a（a的补码的16进制）

10000000 00000000 00000000 00010100（b的原码）

11111111 11111111 11111111 11101011（b的反码）

11111111 11111111 11111111 11101100（b的补码）

0x ff ff ff ec（b的补码的16进制）

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。这是又为什么？

---

2.2 大小端介绍

什么是大端小端：

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。

例如：数字123中3是低位，1是高位，上图中a的16进制里0x0a是低位，0x00是高位

为什么有大端和小端：

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。

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。（10分）

概念上文有写，那现在就写代码判断当前机器的字节序吧！

a=1，16进制为：0x00 00 00 01，若为大端（存储）模式，则为00 00 00 01；若为小端（存储）模式，则为01 00 00 00；所以只用判断第一个字节的内容是0或1即可判断大小端模式。用char*类型的指针变量p指向a，那么对p进行解引用即可得到第一个字节的内容

int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;
	return *p;
}

int main()
{
	if (1 == check_sys())
		printf("小端");
	else
		printf("大端");
	return 0;
}

---

2.3 练习

1：

int main()
{
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
	return 0;
}
//a=-1 b=-1 c=255

想了解整型提升，点击链接找到⑫表达式求值的1.隐式类型转换

解析：

10000000 00000000 00000000 00000001 -- -1原码

11111111 11111111 11111111 11111110 -- -1反码

11111111 11111111 11111111 11111111 -- -1补码

所以abc的补码都是：11111111

在打印时，abc都要以整型形式打印，所以都要整型提升

11111111 11111111 11111111 11111111 -- a整型提升（补码）

10000000 00000000 00000000 00000001 = -1 -- a整型提升（原码）

在VS2019上，char=signed char，所以a整型提升=b整型提升= -1

00000000 00000000 00000000 11111111=255 -- c整型提升（补码、原码）

2：

int main()
{
	char a = -128;
	//10000000 00000000 00000000 10000000 -- -128原码
	//11111111 11111111 11111111 01111111 -- -128反码
	//11111111 11111111 11111111 10000000 -- -128补码
	//10000000  -- a
	//11111111 11111111 11111111 10000000 -- a整型提升（补码）
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}
//4294967168

解析：

10000000 00000000 00000000 10000000 -- -128原码

11111111 11111111 11111111 01111111 -- -128反码

11111111 11111111 11111111 10000000 -- -128补码

所以a的补码：10000000

在打印时，a要以整型形式打印，所以要整型提升

11111111 11111111 11111111 10000000 -- a整型提升（补码）

以%u形式，原码=反码=补码

11111111 11111111 11111111 10000000 =4294967168

3：

int main()
{
	char a = 128;
	//00000000 00000000 00000000 10000000 -- 128的原码、补码
	//10000000 -- a
	//11111111 11111111 11111111 10000000 -- a整型提升（补码）
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}
//4294967168 

解析：

10000000 00000000 00000000 10000000 -- 128原码、补码

所以a的补码：10000000

在打印时，a要以整型形式打印，所以要整型提升

11111111 11111111 11111111 10000000 -- a整型提升（补码）

以%u形式，原码=反码=补码

11111111 11111111 11111111 10000000 =4294967168

4：

int main()
{
	int i = -20;
	//10000000 00000000 00000000 00010100  -- i的原码
	//11111111 11111111 11111111 11101011  -- i的反码
	//11111111 11111111 11111111 11101100  -- i的补码
	unsigned int j = 10;
	//00000000 00000000 00000000 00001010  -- j的原码、补码
	//11111111 11111111 11111111 11101100  -- i的补码
	//11111111 11111111 11111111 11110110  -- i+j的补码
	//10000000 00000000 00000000 00001010 = -10 -- i+j的原码
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}
//-10

解析：

10000000 00000000 00000000 00010100 -- i的原码

11111111 11111111 11111111 11101011 -- i的反码

11111111 11111111 11111111 11101100 -- i的补码

00000000 00000000 00000000 00001010 -- j的原码、补码

11111111 11111111 11111111 11101100 -- i的补码

11111111 11111111 11111111 11110110 -- i+j的补码

10000000 00000000 00000000 00001010 = -10 -- i+j的原码

5：

在看代码之前，让我们来了解一下signed char和unsigned char类型的范围

了解了它们的范围之后，下面这串代码会循环多少次？

int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}

无数次，因为unsigned char永远>=0，i=0时再-1=255而非-1

6：

int main()
{
	char a[1000];
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d", strlen(a));
	return 0;
}
//255

解析：

strlen计算的时'\0'之前的字符个数，当i=-1时，a[i]=0，所以只用算char类型中0~-1之前有多少个字节即可，有255个字节，所以答案为255

7：

下面这串代码会循环多少次？

unsigned char i = 0;
int main()
{
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
		printf("hello world\n");
	}
	return 0;
}

无数次，因为unsigned char永远<=255，255+1=100000000，但是char类型只有8个字节，所以此时char里面存储的时00000000=0，而非能跳出循环的100000000=256

---

三.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159

1E10（科学计数法=1.0*10^10）

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 一个例子

下面代码的结果是什么呢？

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;
}

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

---

3.2 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：

(-1)^S * M * 2^E

(-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。
解释前面的题目：

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;
}

00000000 00000000 00000000 00001001 -- 9的原码、补码

第一个打印的值为9，毫无疑问
第二个打印的值为0.000000

对pFloat解引用，找到的是float类型的，

0 00000000 00000000000000000001001

所以S=0,E为全0，所以E=1-127= -126，M=0.00000000000000000001001，因此该值=(-1)^0 * 0.00000000000000000001001* 2^(-126) 无限接近于0
第三个打印的值为1091567616

将9.0赋值给pFloat指向的float类型

9.0=1001.0=(-1)^ 0 * 1.001 * 2^3

S=0,E=3,M=1.001

0 10000010 00100000000000000000000

用%d形式打印

01000001 00010000 00000000 00000000=1091567616

第四个打印的值为9.000000，毫无疑问

---

好了，那么本篇博客就到此结束了，如果你觉得本篇博客对你有些帮助，可以给个大大的赞👍吗，感谢看到这里，我们下篇博客见❤️