【C初阶】数据在内存中的存储

[1. 整数在内存中的存储](#1. 整数在内存中的存储)

[2. 大小端字节序](#2. 大小端字节序)

[2.1 什么是大小端？](#2.1 什么是大小端？)

[2.2 为什么有大小端？](#2.2 为什么有大小端？)

[2.3 练习](#2.3 练习)

[2.3.1 练习1](#2.3.1 练习1)

[2.3.2 练习2](#2.3.2 练习2)

[2.3.3 练习3](#2.3.3 练习3)

[2.3.4 练习4](#2.3.4 练习4)

[2.3.5 练习5](#2.3.5 练习5)

[2.3.6 练习6](#2.3.6 练习6)

[3. 浮点数在内存中的存储](#3. 浮点数在内存中的存储)

[3.1 浮点数存储的过程](#3.1 浮点数存储的过程)

[3.2 浮点数的取出过程](#3.2 浮点数的取出过程)

1. 整数在内存中的存储

在操作符的那一章的时候，我们就学习了一下内容，不清楚的小伙伴可以返回去看看。

整数的2进制表示方法有三种：原码、反码、补码。

有符号整数，三种表示方法都有符号位和数值位两部分，符号位0表示正，1表示负，最高位表示符号位，其他的表示数值位。

正整数原码、反码、补码都是相同的。负整数则是各不相同。

其规则为：原码：将数值按照正负数的形式翻译为2进制得到的就是原码。

反码：原码的符号位不变，其他位按位取反就可以得到反码。

补码：反码+1得到的就是补码。

对于整型来说，数据存放在内存中存放的是二进制的补码。

2. 大小端字节序

我们之前在调试过程中，在查看内存情况时，会有疑惑为啥它是倒着储存的，其实这里面有它自己的规则。

其实没必要大惊小怪，有的是正着排的，有的是倒着排的。这就有关于大小端字节序的判断了。

2.1 什么是大小端？

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，我们分为大端字节存储和小端字节存储，下面是具体概念：

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。

这里是要记住的，方便进行区分。

2.2 为什么有大小端？

那么为什么会有大小端之分呢？直接正着存不是更方便吗？

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8个bit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（具体要看编译器），另外，对于位数大于8位的处理器，由于寄存器宽度大于1个字节，那么必然存在着一个如何将多个字节安排的问题，因此就导致了大端字节存储模式和小端存储模式。

2.3 练习

2.3.1 练习1

简述大小端的概念，并设计一个程序检测当前机器是什么模式。

答：大端：低位字节内容存放在高地址处，高位字节内容存放在低地址处。

小端：低位字节内容存放在低地址处，高位字节内容放在高地址处。

复制代码

int check_sys()
{
	int i = 1;
	return ((char*)&i);
}
int main()
{
	if (check_sys() == 0)
		printf("大端\n");
	else
		printf("小端\n");
}

2.3.2 练习2

复制代码

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

我们来看看这段代码会打印什么值？

在计算这段代码之前，我们先了解一下相关知识。

char ：-128~127

signed char ：-128~127

unsigned char：0~255

这些范围是怎么产生的？为什么就是这个范围，请看下图：

这是char的，short、int这些类型都可以以此类推。有了这些知识，我们来解答这道题。

2.3.3 练习3

复制代码

int main()
{
	char a = -128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

%u -- 打印的是无符号整型

复制代码

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

2.3.4 练习4

复制代码

int main()
{
	char a[1000];
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;

	}
	printf("%d\n", strlen(a));
	return 0;
}

不难看出，他直接就是-128~127，也就是255.

2.3.5 练习5

复制代码

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

代码死循环了，因为i<=255这个条件是恒成立的。

2.3.6 练习6

复制代码

int main()
{
	int a[4] = { 1,2,3,4 };
	int* ptr1 = (int*)(&a + 1);
	int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);
	printf("%x, %x", ptr1[-1], *ptr2);
	return 0;
}

解题过程：

所以答案是4,2000000 小伙伴们答对了吗？

3. 浮点数在内存中的存储

浮点数有很多，比如说3.14159，1E10等。

我们先来看个例子：

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("n的值为：%d\n", n);
	printf("pF的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

输出是什么呢？

可以得出：浮点数在内存中的存储和整数是不同的。

3.1 浮点数存储的过程

上面的代码中，n和*pFloat在内存中存储的明明是同一个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差别那么大？

要理解这个结果，我们需要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。

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可以表示为下面的形式：

V = (-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，M是大于等于1，小于2的

2^E表示的是指数位

举例来说：

十进制的5.0，写成二进制是101.0 -- 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。

IEEE754规定：

对于32位的浮点数（float），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（double），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。

IEEE754对有效数字M和指数E，还有一些特别的规定。

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。

IEEE754规定，在计算机内部保存M时，默认这个数第一位总是1，因此可以舍弃，只保存后面的小数部分。比如说保存1.01时，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1位舍弃后，可以保存24位有效数字。

E是一个无符号整数（unsigned int）

这意味着，如果E为8位，它的取值范围是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IEEE754规定，存入内存的E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.

就拿9.5举个例子：

浮点数是有可能无法精确保存的，比如说1.2。

3.2 浮点数的取出过程

E不全为0或不全为1（常规情况）

这时，指数E的计算值-127（或1023），得到真实值，再将有效数字M前加上第1位的1。

E全为0

E等于1-127（或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，这样做是为了表示接近0很小的数字。

E全为1

如果有效数字M全为0，表示无穷大；