【C语言】数据在内存中的存储
一、整数在内存中的存储
1.存储形式
整型数据在内存中存储的是二进制的补码形式,这是计算机中表示整数的标准方式。
那么，什么是补码呢？
2.原码、反码和补码
整数的的2进制表示形式有三种，分别是原码、反码和补码
对于有符号的整数来说：
有符号位 和数值位 两部分。在二进制中，最高一位是符号位，其余都是数值位。在符号位中，0表示正数，1表示负数
正整数 的原码、反码和补码都相同
而负整数的则各不相同，有对应的转换规则
对于无符号的整数来说：
全是数值位，无符号位
3.原码
直接将数值按照正负数形式翻译成二进制，最高一位是符号位，其余都是数值位（有符号的整数）
且对于 int 类型来说，占 4 个字节，32 个 bit 位
这里我们拿 37 和 - 37 一正一负举例
37 的原码： ( 标记的是符号位，下同）
在符号位中，0表示正数，1表示负数，故37第一位是0
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0101
- 37 的原码：
1000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0101
4.反码
对于正数 ，原码、反码和补码都相同，故不变
但对于负数 ，原码的符号位不变，其他位按位取反（1变为0，0变为1）
37 的反码：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0101
-37 的反码： 原码按位取反
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1101 1010
5.补码
对于正数 ，原码、反码和补码都相同，故不变
但对于负数 ，反码+1得到补码（注意进位）
37 的补码：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0101
-37 的补码： 反码+1
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1101 1011
6.补码的优势
前面我们也提到：
整型数据在内存中存储的是二进制的补码形式
但为什么呢？
原因是：
统一处理 ：可以将符号位和数值域统一处理
运算简化 ：加法和减法可以统一处理（CPU只有加法器）
硬件优势 ：补码与原码相互转换运算过程相同，不需要额外硬件电路
二、大小端字节序和字节序判断
1.什么是大小端？
整型数据在内存中以二进制补码形式存储，超过1字节的数据存在字节序问题
大端字节序 和小端字节序 描述的是多字节数据在内存中以字节为单位的存储顺序
以 int a = 0x 11 22 33 44 ;为例，如图：
有上下两种情况存储，大端和小端
大端字节序:(上）
数据的高位字节存储在低地址处，低位字节存储在高地址处
小端字节序:（下）
数据的低位字节存储在低地址处，高位字节存储在高地址处
2.为什么要有大小端？
存储单元限制 : 计算机以字节(8bit)为最小寻址单位
数据类型差异 ：C语言存在16bit(short)、32bit(int/long)等跨字节类型
硬件差异 ：处理器寄存器宽度可能大于1字节（如16/32位处理器）
总的来说：
大小端存储模式是为了解决将多个字节安排的问题
无论采用哪种字节序，必须保证存取的顺序一致性
3.判断大小端模式
由于
int a = 1 ;中的 a 储存的是0x 00 00 00 01
故可以将 a 内存中第一个字节取出来，判断是 1 还是 0
是 1 就是小端模式，否则是大端模式
代码演示：（这里我用的是VS2022）
c
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 1;
////0x 00 00 00 01
int ret = *(char*)&a;
//强制类型转换将 4 字节的int型转为 1 字节的 char 型
//便于将 a 内存中第一个字节取出来
if (ret == 1)
printf("小端模式\n\n");
else
printf("大端模式\n\n");
return 0;
}运行结果：
可以看到，在VS2022上，是小端存储模式
编译器不同，结果也不同，大家也可以自己去尝试哦
三、浮点数在内存中的存储
1.观察现象
这里有一段代码，大家可以猜一猜运行结果
结果你绝对想不到
代码演示：
c
#include <stdio.h>
int main()
{
int g = 9;
float* p = (float*)&g;
printf("%d\n\n", g);
printf("%f\n\n", *p);
*p = 9.0;
printf("%d\n\n", g);
printf("%f\n\n", *p);
return 0;
}运行结果：
结果是不是想不到，为什么第2个是0，而第三个这么大呢？
听我一一道来：
2.浮点数内存存储
根据国际标准IEEE(电气和电子工程协会)754，任意一个浮点数V可以表现为下面的形式：
V=(-1)^s * M * 2^E
- (-1)^S表示符号位，当S=0时，V为正数，当S=1时，V为负数
- M表示有效数字，M大于等于1，小于2
- 2^E表示指数位
例如：
十进制数 5.5
转换成二进制数是 101.1
（ 5.5=1 * 2^2 + 1 * 2^0 + 1 * 2^(-1) )
故 101.1 = (-1)^0 * 1.011 * 2^ 2 (二进制计算）
故S = 0 , M = 1.011 , E = 2
所以浮点数的存储，其实就是存的和S，M，E相关的值
- 对于32位浮点数（float类型）
S占1bit 位 ， E占8bit位 ， M占23bit位
如图：
- 对于64位浮点数（double类型）
S占1bit 位 ， E占11bit位 ， M占52bit位
如图：
3.S、E、M
- S
当S=0时，V为正数，当S=1时，V为负数
- M
由于 1 <= M <2 ,故 M = 1. xxxxxx，在内存M中只存放小数点后的xxxxxx
- E
E为无符号整数
故对于8bit位的E取值范围为 0 , 255 ( 111 1111 )
对于11bit位的E取值范围为 0 , 2047 ( 111 1111 1111 )
但为了E可以存储负数，E在存入内存的真实值要加一个中间数
8 bit位的E + 127 ; 11 bit位的E + 1023
例如：
2^10 的E是10，保存成32位浮点数时，E要加127
以10001001（137）保存
4.特殊情况
- 当E全为0时
此时E的真实值是 - 127，且有效数字M的第一位不再是 1 ，改为0。
V = +/- 0.xxxxxx * 2^(-127)
此时V无限趋近于0
故E为全0是为了表示 0，以及无限趋近于0的数
- 当E全为1时
此时E的真实值是 128
V = +/- 1.xxxxxx * 2^128
此时V无限趋近于正负无穷
故E为全1是为了表示无穷小或无穷大的数
5.回到例题
现在，我们学完了浮点数在内存中的存储
也可以看懂之前的例题了
c
#include <stdio.h>
int main()
{
int g = 9;
float* p = (float*)&g;
printf("%d\n", g);//9
printf("%f\n\n", *p);//0.000000
*p = 9.0;
printf("%d\n", g);//1091567616
printf("%f\n\n", *p);//9.000000
return 0;
}1 和 4 没什么好说的，之前的学习中已经给大家讲过了，主要是 2 和 3 的问题
- 第2题
首先，取出g的地址再强制类型转换给指针p,再以浮点数形式打印
这里文字解释不清，我用图解来讲解吧
大家在写这种题目时也要多画图哦
所以，第2个答案是0.00000000
- 第3题
首先，取出 g 的地址再强制类型转换给指针 p ，再通过解引用把 g 的值改为 9.0 (浮点数），最后以整型形式打印
这里依旧图解：
想必大家通过我的图解已经把题目原理搞清楚了
以后大家在做这种题目时，一定要多画草图，把大概框架画出来
分析数据在内存中怎放置，分析怎样读取内存的数据
做完这些后，题目也就迎刃而解了
结语
本期资料来自于：
OK，本期（数据在内存中的存储）详解到这里就结束了
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