【C语言】数据在内存中的储存

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文章目录

• 一、大小端字节序
• • [1. 大小端的定义](#1. 大小端的定义)
  • [2. 为什么会有大小端之分](#2. 为什么会有大小端之分)
  • • 2.1硬件设计的多样性
    • 2.2历史与兼容性
• 二、整数在内存中的存储
• 三、浮点数在内存中的存储
• • [1. 存的过程](#1. 存的过程)
  • 2.取的过程
  • • [2.1 E有0有1](#2.1 E有0有1)
    • [2.2 E全为0](#2.2 E全为0)
    • [2.3 E全为1](#2.3 E全为1)
  • [3. 代码分析](#3. 代码分析)

一、大小端字节序

1. 大小端的定义

大小端字节序（Endianness）是计算机系统中多字节数据在内存中存储的两种不同方式。主要区别在于字节的排列顺序。

大端字节序（Big-Endian）：高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址。类似于人类阅读顺序，从左到右由高到低。

小端字节序（Little-Endian）：低位字节存储在低地址，高位字节存储在高地址。与人类阅读顺序相反，从右到左由低到高。

记忆口诀：匹配即小端，不匹配即大端。

#include <stdio.h>

int main() {
    int num = 1;
    char *ptr = (char *)&num;
    if (*ptr == 1) {
        printf("Little-Endian\n");
    } else {
        printf("Big-Endian\n");
    }
    return 0;
}

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2. 为什么会有大小端之分

2.1硬件设计的多样性

不同厂商的处理器（如Intel和ARM）在设计时选择了不同的存储方式：

大端模式（Big-Endian）：数据的高位字节存储在低地址。

例如：数值 0x12345678 在内存中的存储顺序为：

12 34 56 78（地址递增方向）。

小端模式（Little-Endian）：数据的低位字节存储在低地址。

例如：同一数值存储为：

78 56 34 12（地址递增方向）。

2.2历史与兼容性

大端模式早期被IBM、Motorola等厂商采用，符合人类读写习惯（从左到右高位到低位）。

小端模式由Intel x86架构推广，因低位字节先处理，更适合算术运算（如加法需从低位开始）。

总结：

大小端差异本质是硬件设计自由度的体现，需通过软件或协议（如TCP/IP）解决兼容性问题。

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二、整数在内存中的存储

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补码，优势就是可以进行数之间的简单运算。

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三、浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：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

#include <stdio.h>
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;
}

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。

重点在于S,M,E的具体值。

32位：

64位：

1. 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

E位数 偏置值 取值范围

8 127 0~255

11 1023 0~2047

E以无符号整数形式 存储：8位E取值范围0~255，11位E取值范围0 ~2047

由于科学计数法中E可能为负值，IEEE 754规定存储时需加上偏置值：
8位E加127
11位E加1023

例如：2^10的E=10，存储为32位浮点数时实际存储值为10+127=137（二进制10001001）

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2.取的过程

2.1 E有0有1

浮点数的表示遵循以下规则：首先将指数E的计算值减去127（或1023）得到真实值，然后在有效数字M前补上最高位的1。

以0.5为例，其二进制形式为0.1。根据规定，整数部分必须为1，因此将小数点右移1位得到1.0×2^(-1)。此时阶码为-1+127（中间值）=126，对应的二进制表示为01111110。尾数1.0去掉整数部分后为0，补0至23位得到00000000000000000000000。最终其二进制表示形式为：
0 01111110 00000000000000000000000

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2.2 E全为0

此时，浮点数的指数E取值为1-127（或1-1023）表示真实值，有效数字M不再需要补上前导的1，而是直接采用0.xxxxxx的小数形式。这种设计可以准确表示±0以及极接近0的微小数值。
0 00000000 00100000000000000000000

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2.3 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）
0 11111111 00100000000000000000000

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3. 代码分析

我们回到最初的代码上面：

#include <stdio.h>
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;
}

9先以整数形式存储到n中：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

如果以整数形式打印，还是9。

如果以浮点数形式打印：

0 00000000 00000000000000000001001

为一个无限接近0的数，所以打印0.000000。

接着9.0以浮点数的形式储存：

首先，浮点数9.0 等于⼆进制的1001.0，即换算成科学计数法是：1.001×2^3

所以： 9.0 = (−1) ^0 * (1.001) ∗ 2 ^ 3 ，那么，第⼀位的符号位S=0，有效数字M等于001后⾯再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010

所以，写成⼆进制形式，应该是S+E+M，即：

0 10000010 00100000000000000000000

以浮点数打印就还是9.0

如果以整数打印：

0100 0001 0001 0000 0000 0000 0000 0000

因为是正数，原码等于补码，即为1091567616。

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