C语言入门（二十四）：数据在内存中的存储

目录

[1. 整数在内存中的存储](#1. 整数在内存中的存储)

[2. ⼤⼩端字节序和字节序判断](#2. ⼤⼩端字节序和字节序判断)

[3. 浮点数在内存中的存储](#3. 浮点数在内存中的存储)

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1. 整数在内存中的存储

在讲解操作符的时候，我们就讲过了下⾯的内容：

整数的2进制表⽰⽅法有三种，即原码、反码 和补码

有符号的整数，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"，最⾼位的⼀位是被当做符号位，剩余的都是数值位。

正整数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表⽰⽅法各不相同

原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成⼆进制得到的就是原码。

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反码。

补码：反码+1就得到补码。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是⼆进制的补码。

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。

2. ⼤⼩端字节序和字节序判断

当我们了解了整数在内存中存储后，我们调试看⼀个细节：

#include <stdio.h>

int main()
 {
   int a = 0x11223344;
   return 0;

 }

调试结果：

调试的时候，我们可以看到在a中的0x11223344， 这个数字是按照字节为单位，倒着存储的。

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 为⼤端字节序存储和⼩端字节序存储，下⾯是具体的概念：

⼤端（存储）模式：（反着来）

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：（正着来）

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。

上述概念需要记住，⽅便分辨⼤⼩端

2.2 为什么有⼤⼩端?

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 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（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（16进制的数） ，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。

2.3 练习

2.3.1 练习1

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）-百度笔 试题

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

输出结果：

当n==1的时候

解析：

**内存布局与字节序概念：**指多字节数据在内存中的存储顺序。

• 小端（Little Endian）：低位字节存储在低地址。

• 大端（Big Endian）：高位字节存储在低地址。

以 n = 1 为例（假设 int 为 4 字节）：

• 十六进制表示：0x00000001

• 最低有效字节是 0x01，最高有效字节是 0x00。

内存地址从低到高：

• 小端：01 00 00 00

• 大端：00 00 00 01

(char*)&n

• &n：取 n 的地址，类型是 int*。

• (char*)&n：将 int* 强制转换为 char*。

  作用：char* 指针每次访问 1 个字节，通过它我们可以读取 n 的第一个字节（最低地址字节）

*(char*)&n

• 对 (char*)&n 解引用，得到 n 在内存中第一个字节的值。

• 如果系统是小端：

  • 第一个字节是 0x01，因此 *(char*)&n 等于 1。

• 如果系统是大端：

  • 第一个字节是 0x00，因此 *(char*)&n 等于 0。

优化上面的代码

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

输出的结果和上面的是一样的

2.3.2 练习2

注意：char的有无符号取决于编译器，在vs2上，char默认为 signed char

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;
}

输出结果：

解析：

变量定义与初始化

char a = -1;

1. 在 C 标准中，char 可能等同于 signed char 或 unsigned char，取决于编译器实现（常见的是 signed char）。

2. 假设当前环境下 char 是有符号的，那么 a 的二进制存储为 11111111（8 位有符号数 -1 的补码）。

signed char b = -1;

1. 明确声明为有符号字符型，存储的也是 11111111（补码形式）。

unsigned char c = -1;

1. 无符号字符型变量，给它赋值 -1 时，会发生隐式转换。

2. -1 的补码是 11111111，当解释为 unsigned char 时，这个二进制模式表示 255。

printf 中的类型提升

printf("a=%d b=%d c=%d", a, b, c);

• 格式符 %d 期望 int 类型参数。

• 在可变参数函数（如 printf）中，char 类型会进行整数提升：

1. a（有符号 char，值 -1）提升为 int，保持值 -1。

2. b（有符号 char，值 -1）提升为 int，保持值 -1。

3. c（无符号 char，值 255）提升为 int，因为 255 在 int 范围内，所以结果为 255。

2.3.3 练习3

int main()
{
	char a = -128;

	printf("%u\n", a);//%u的形式打印，是认为a中存放的是无符号数 ，a是char类型，首先要整型提升
	
	return 0;
}

输出结果：

解析：
char a = -128;

知识点：有符号 char 的范围

• 在大多数系统中，char 默认为 signed char，范围是 -128 到 127。

• -128 刚好是有符号 char 的最小值。

知识点：-128 的二进制表示（补码）

• 8 位有符号数的表示：

  1. -128 的补码是 10000000（二进制）

printf("%u\n", a);

知识点：整数提升

• 在 printf 函数调用中，char 类型会进行整数提升。

• 由于 a 是 signed char，提升时会进行符号扩展。

具体过程：

1. a = -128（8位）：10000000

2. 整数提升为 int（32位）：

• 保持数值不变，所以仍然是 -128
• 二进制补码表示：11111111 11111111 11111111 10000000

知识点：格式不匹配

• %u 期望一个 unsigned int 类型的参数

• 但我们传递的是提升后的 int 类型（值为 -128）

• 编译器不会自动转换类型，而是直接按位解释

二进制解释：

• 11111111 11111111 11111111 10000000 被当作无符号整数解释

• 计算其无符号值：

  1. 这是 232−128=4294967168232−128=4294967168

练习3.1

int main()
{
	char a = 128;

	printf("%u\n", a);

	return 0;
}

输出结果：

解析：

1. char a = 128;

知识点：有符号 char 的溢出

• 在大多数系统中，char 默认为 signed char，范围是 -128 到 127。

• 128 超出了有符号 char 的最大值 127。

知识点：整数到有符号 char 的转换

• 当赋值超出目标类型范围时，C 标准规定结果是实现定义的。

• 常见的处理方式是截断：取低 8 位，并按有符号解释。

具体过程：

• 128 的二进制（32位）：00000000 00000000 00000000 10000000

• 取低 8 位：10000000

• 作为有符号 char 解释：10000000 是 -128 的补码

所以 a 的实际值是 -128。

2. printf("%u\n", a);

知识点：整数提升

• 在 printf 函数调用中，char 类型会进行整数提升。

• 由于 a 是 signed char，提升时会进行符号扩展。

具体过程：

1. a = -128（8位）：10000000

2. 整数提升为 int（32位）：

   • 符号扩展：11111111 11111111 11111111 10000000

   • 数值仍然是 -128

知识点：格式不匹配

• %u 期望一个 unsigned int 类型的参数

• 但我们传递的是提升后的 int 类型（值为 -128）

• 编译器直接按位解释，不进行数值转换

2.3.4 练习4

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

}

输出结果：

解析：

关键点：有符号 char 的溢出

知识点：整数到有符号 char 的转换

• 当值超出 -128 到 127 范围时，会发生溢出

• 常见的处理方式是取低 8 位并按有符号解释

i = 128: -129 的转换

• -129 的 32 位补码：11111111 11111111 11111111 01111111

• 取低 8 位：01111111 = 127

数值变化规律：

• i = 0 到 127: a[i] = -1 到 -128（递减）

• i = 128: a[128] = 127

• i = 129: a[129] = 126

• i = 130: a[130] = 125

• ...

• i = 255: a[255] = 0（因为 -1 - 255 = -256，低 8 位是 0）

2.3.5 练习5

unsigned char i = 0; //这个代码的取值范围是0-255
int main()
{
	for (i = 1; i <= 255; i++)
	{
		printf("hello world\n"); //死循环打印
	}
	return 0;
}

输出结果：

死循环da

解析：
unsigned char i = 0;

• unsigned char 是无符号字符类型

• 取值范围：0 到 255

• 占用 1 字节（8 位）

无符号整数的溢出

• 当 unsigned char 达到 255 后再加 1，会发生回绕

• 255 + 1 = 256，但 256 超出范围，取低 8 位：00000000 = 0 ，所以 i 从 255 变成 0

最终进入死循环

练习5.1

#include<windows.h>
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
		Sleep(10); //减缓代码的执行速度 ，需要头文件<windows.h>
	}
	return 0;
}

输出结果：

解析：

unsigned int i;

• unsigned int 是无符号整型

• 取值范围：0 到 4,294,967,295（假设 32 位系统）

• 永远不能存储负数

无符号整数的下溢

当 i = 0 时执行 i--：

• 0 - 1 = -1

• 但 i 是 unsigned int，不能存储负数

• 发生下溢 ，结果回绕到最大值：4,294,967,295

最终进入死循环

2.3.6 练习6

x86坏境，小端字节序

int main()
{
	int a[4] = { 1,2,3,4 };
	int* ptr1 = (int*)(&a +1);
	int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);

	printf("%x, %x\n", ptr1[-1], *ptr2);
	printf("%#x, %#x", ptr1[-1], *ptr2); 

	return 0;
}

输出结果：

解析：

数组内存布局

• 每个元素的十六进制表示：

  • 1 = 0x00000001

  • 2 = 0x00000002

  • 3 = 0x00000003

  • 4 = 0x00000004

小端字节序内存布局（地址从低到高）：

a[0] = 1:   01 00 00 00
a[1] = 2:   02 00 00 00  
a[2] = 3:   03 00 00 00
a[3] = 4:   04 00 00 00

int* ptr1 = (int*)(&a +1);

知识点：数组指针运算

• &a 是数组指针 ，类型为 int(*)[4]

• &a + 1：跳过整个数组（4 × 4 = 16 字节）

• ptr1 指向数组末尾的下一个位置

a[0] a[1] a[2] a[3] ptr1
  ↓    ↓    ↓    ↓   ↓
[1]  [2]  [3]  [4]  [?]

int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);

• (int)a：将数组首地址转换为整数值

• (int)a + 1：地址值加 1（不是加 4 字节！）

• (int*)：再转换回 int 指针

printf("%x, %x\n", ptr1[-1], *ptr2);

ptr1[-1] 的计算：

• ptr1 指向数组末尾后

• ptr1[-1] = *(ptr1 - 1) = 指向 a[3]

• a[3] = 4 = 0x00000004

• 输出：4

*ptr2 的计算：

• ptr2 从 a[0] 的第二个字节开始读取 4 字节

• 读取的字节序列：a[0] 的后3字节 + a[1] 的第1字节

• 小端系统：00 00 00 02 = 0x02000000

• 输出：2000000

%#x 格式说明符的意思

在 printf 中：

• %x：以十六进制输出，不带前缀

• %#x：以十六进制输出，带 0x 前缀

3. 浮点数在内存中的存储

常⻅的浮点数：3.14159、1E10等，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 练习

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("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);

	return 0;
}

输出结果：

解析：

printf("*pFloat的值为: %f\n", *pFloat);

• 关键点 ：用 %f 解释相同的二进制数据

浮点数 IEEE 754 标准：

• 单精度浮点数（32位）：1位符号 + 8位指数 + 23位尾数

• 9 的整型二进制：00000000 00000000 00000000 00001001

按浮点数解释：

• 符号位：0（正数）

• 指数位：00000000

• 尾数位：00000000000000000001001

计算值：

• 指数 = 0 - 127 = -127

• 尾数 = 1.00000000000000000001001（隐含的1）

• 值 = ±1.尾数 × 2^指数 = 1.00000000000000000001001 × 2^(-127)

• 这是一个非常接近于 0 的数

输出 ：*pFloat的值为: 0.000000

赋值后的变化

*pFloat = 9.0;

• 将 9.0 的浮点数表示写入同一块内存

• 覆盖了原来整数 9 的二进制表示

9.0 的 IEEE 754 表示：

• 9.0 = 9 = 1001（二进制）

• 科学计数法：1.001 × 2^3

• 符号位：0

• 指数：3 + 127 = 130 = 10000010

• 尾数：00100000000000000000000

• 完整二进制：0 10000010 00100000000000000000000 = 0x41100000

第二次输出

printf("n的值为: %d\n", n);

• 用 %d 解释现在的内存内容：0x41100000

• 0x41100000 = 1,091,567,616（十进制）

输出 ：n的值为: 1091567616

3.2 浮点数的存储

上⾯的代码中 n 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

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：

V = (−1)^S * M * 2^E

1. (−1)^S 表⽰符号位，当S=0，V为正数；当S=1，V为负数
2. M表⽰有效数字，M是⼤于等于1，⼩于2的
3. 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：

1. 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
2. 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

如图：

3.2.1 浮点数存的过程

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（unsignedint）

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IEEE754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。

3.2.2 浮点数取的过程

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（常规情况）

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(中间值)=126，表⽰为01111110，⽽尾数1.0去掉整数部分为0，补⻬0到23位 00000000000000000000000，则其⼆进制表⽰形式为：

1  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。

1  0 00000000 00100000000000000000000

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）；

1  0 11111111 00010000000000000000000

以上就是我们的全部内容了，谢谢大家！！！