【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

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

  1. 浮点数家族(小数点可以移动)

float

double

  1. 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

  1. 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

c 复制代码
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:

c 复制代码
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:

c 复制代码
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:

c 复制代码
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:

c 复制代码
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?

c 复制代码
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:

c 复制代码
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?

c 复制代码
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?

c 复制代码
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:

c 复制代码
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❤️

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