内存函数以及数据在内存中的存储

目录

[1 · memcpy](#1 · memcpy)

[2 · memmove](#2 · memmove)

[3 · memset](#3 · memset)

[4 · memcmp](#4 · memcmp)

[5 · 大小端字节序和字节序判断](#5 · 大小端字节序和字节序判断)

[5 - 1 · 什么是大小端](#5 - 1 · 什么是大小端)

[5 - 2 · 为什么要有大小端](#5 - 2 · 为什么要有大小端)

[5 - 3 · 如何判断当前机器的字节序](#5 - 3 · 如何判断当前机器的字节序)

[6 · 浮点数在内存中的存储](#6 · 浮点数在内存中的存储)

[6 - 1 · 浮点数的存储](#6 - 1 · 浮点数的存储)

[6 - 2 · 浮点数存的过程](#6 - 2 · 浮点数存的过程)

[6 - 3 · 浮点数取的过程](#6 - 3 · 浮点数取的过程)

[6 - 4 · 解析代码](#6 - 4 · 解析代码)

总结

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上一篇我们介绍了关于字符串系列的函数，C语言也提供了内存操作函数，它们操作的是内存块，也就可以对任意类型的数据进行操作。

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1 · memcpy

作用是针对内存块进行拷贝。使用需包含头文件 string.h

原型如下：

void * memcpy ( void * destination, const void * source, size_t num );

有三个参数，最后一个参数是 需要拷贝的字节数。

效果是将从 source 开始的 num 个字节的数据拷贝到 destination 中。
这个函数在遇到 '\0' 的时候并不会停下来

注意：source 和 destination 的数据不能有重叠，如果有重叠，结果是不保证一定正确的。对于有重叠的内存块，最好使用memmove。

下面我们模拟实现一下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>

void* MyMemcpy(void* dst, const void* src, size_t num)
{
	assert(dst);
	assert(src);
	char* pdst = (char*)dst;
	char* psrc = (char*)src;
	while (num--)
	{
		//一次交换一个字节
		*pdst = *psrc;
		pdst++;
		psrc++;
	}
	return dst;
}

int main()
{
	int arr1[] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int sz = sizeof(arr1) / sizeof(arr1[0]);
	int arr2[20] = { 0 };
	int arr3[20] = { 0 };
	int i = 0;
	memcpy(arr2, arr1, 20);
	printf("memcpy:");
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr2[i]);
	}
	printf("\n");
	MyMemcpy(arr3, arr1, 20);
	printf("MyMemcpy:");
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr3[i]);
	}
	
	return 0;
}

运行一下看看：

一个整型占4个字节，这里拷贝20个字节也就是5个整型数据。

由于不知道要拷贝的数据是什么类型的，所以进行一个字节一个字节拷贝。这里的思想其实与之前指针下那篇中优化冒泡排序类似。

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2 · memmove

memmove 的作用和 memcpy 类似，只是memmove 处理的源内存块和目标内存块是可以重叠的。使用需包含头文件 string.h

原型如下：

void * memmove ( void * destination, const void * source, size_t num );

我们先来看看我们写的 MyMemcpy 拷贝重叠内存块会发生什么：

int main()
{
	int arr1[] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int sz = sizeof(arr1) / sizeof(arr1[0]);
	int i = 0;
	MyMemcpy(arr1 + 2, arr1, 20);
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", arr1[i]);
	}
}

我们想将 arr1 的前5个元素 从arr1 的第3个元素开始放，那我们理想的效果是：

0 1 0 1 2 3 4 7 8 9

运行一下看看：

这是因为我们准备将第3个元素拷贝的时候，第3个元素已经被拷贝成 0 了。

而我们想将 arr1 的从第3个位置开始的5个元素从首元素开始放是没有问题的：

int main()
{
	int arr1[] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int sz = sizeof(arr1) / sizeof(arr1[0]);
	int i = 0;
	MyMemcpy(arr1, arr1 + 2, 20);
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", arr1[i]);
	}
}

运行一下：

所以当无重叠或有重叠，但dst < src 时，我们的 MyMemcpy 是能够完成任务的

那么下面我们模拟实现一下 memmove:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>

void* MyMemmove(void* dst, const void* src, size_t num)
{
	assert(dst);
	assert(src);
	char* p1 = (char*)dst;
	char* p2 = (char*)src;
	if (dst < src || dst >(char*)src + num)
	{
		//从前往后(低地址到高地址)拷贝
		while (num--)
		{
			*p1 = *p2;
			p1++;
			p2++;
		}
	}
	else
	{
		//从后往前(高地址到低地址)拷贝
		p1 = p1 + num - 1;
		p2 = p2 + num - 1;
		while (num--)
		{
			*p1 = *p2;
			p1--;
			p2--;
		}
	}
	return dst;
}

int main()
{
	int arr[] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	int i = 0;
	MyMemmove(arr + 2, arr, 20);
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}

	return 0;
}

运行一下：

当无重叠或有重叠，但dst < src 时 我们 从前往后(低地址到高地址)拷贝

当有重叠 且 dst > src 时，从前往后拷贝就会出问题，所以我们可以从后往前(高地址到低地址)拷贝，这样是不会出问题的，因为 src 不会走到已被拷贝过的内存块。

注意：我们从后往前拷贝时， p1 p2 + num 后要 -1。

拿上面的例子来说，我们是整型数组，一个元素占4个字节，p1 指向第3个元素的首字节(第一个字节)，p2 指向第1个元素的首字节(第一个字节)，而p1 和 p2 都 + num 后，它们分别指向第8个元素的首字节和第6个元素的首字节，而我们要从后向前拷贝，所以要让 p1 指向第7个元素的尾字节(第四个字节) p2 指向第5个元素的尾字节。

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3 · memset

memset是用来设置内存的，将内存中的值以字节为单位设置成想要的内容。使用需包含头文件 string.h

原型如下：

void * memset ( void * ptr, int value, size_t num );

效果是 将从ptr 开始的num个字节改成 value

我们使用一下看看：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	char arr[] = { "hello world" };
	memset(arr, 'x', 5);
	printf("%s", arr);
	return 0;
}

运行一下看看：

这里将前五个字符改成了 x ，如果想从第三个开始改，第一个参数就可以写 arr+2。

那么如果是整型数据，我们想将一个初始化为0的整型数组的前五个元素设置成1，是不是只需要memset(arr,1,20)呢

试一试：

int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	int i = 0;
	memset(arr, 1, 20);
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

运行一下：

可以看到，结果并不是我们预期的那样，这是因为memset 是以字节为单位进行设置的，20个字节全部设置成了1。可以通过调试看看：

一个整型占4字节，每个字节都设置为 1 那么这个16进制数 0x01010101 就是 16843009

所以我们在使用 memset 时要注意是否能按照预期那样进行设置。

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4 · memcmp

memcmp 是用来进行内存块比较的。使用需包含头文件 string.h

原型如下：

int memcmp ( const void * ptr1, const void * ptr2, size_t num );

比较 从ptr1 和 ptr2 指向的位置开始 往后的 num个字节。

如果前者大，返回一个大于0的值

如果两者相等，返回0

如果前者小，返回一个小于0的值

我们使用一下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int arr1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int arr2[] = { 1,2,3,4,5,9,9,9,9 };
	int ret = memcmp(arr1, arr2, 20);
	printf("第一次比较：%d\n", ret);
	ret = memcmp(arr1, arr2, 21);
	printf("第二次比较：%d", ret);
	return 0;
}

运行一下：

第21个字节的比较其实是 05 和 08 的比较

我们正常的 16 进制表示5 和 8 应该是 0x 00 00 00 05 和 0x 00 00 00 08，VS中给人一种反过来放的感觉，这其实就与数据在内存中的存储有关了。

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5 · 大小端字节序和字节序判断

我们在详解操作符那篇中介绍了 整数在内存中的存储存的是补码

上面我们通过内存看了 5 和 8 ，下面我们看个更加清晰的 0x 11 22 33 44 ：

可以看到，是按照字节为单位，倒着存储的。为什么呢？这就涉及到大小端了。

5 - 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。
字节序指的是以字节为单位
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。
低位字节可以当作是看整数的个位
0x 11 22 33 44 中，44就是低位字节。

那么我们就可以知道，上面我们演示用的 VS2022 是小端模式

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5 - 2 · 为什么要有大小端

其实只要保证是怎么样放进内存的，并且能按照正确的顺序取出来，都是可行的。

比如将 0x11223344

可以存成 22 11 44 33 或者 33 11 44 22 等等，只要能正确取出来，理论上都是可行的。但是这样的写法肉眼可见的混乱，取出来感觉十分变扭，所以最终只有两种存储方式，大端和小端。
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8bit 位，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。

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5 - 3 · 如何判断当前机器的字节序

我们可以写一段代码，来判断当前的字节序是大端还是小端：

#include <stdio.h>

int check()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
	int ret = check();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

将整型变量a 初始化为1 内存中放的是 0x 00 00 00 01，如果是小端，那么01就会放到低地址处，如果是大端，01就会放到高地址处。所以此时访问 a 所占的地址的首字节位置，如果访问到的是1，说明1被存到了低地址，此时机器是小端。如果访问到的是0，说明1不在低地址，那么此时就是大端。

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6 · 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。
我们先来看一段代码：

#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;
}

运行一下看看：

有的结果可能与我们预想中有些出入，那么这也说明整数和浮点数在内存中的存储方式是不一样的。

要理解这个结果，我们就要搞懂浮点数在内存中的存储。

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6 - 1 · 浮点数的存储

存储到内存中的是二进制浮点数。
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)^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表示指数位
所以浮点数的存储，其实就是存储 S M E 相关的值
举个栗子：
十进制的 5.5，转换成二进制是 101.1
转换成科学计数法，小数点要前移两位，所以 101.1 相当于 1.011 * 2^2
其中 S==0，M==1.011，E==2
IEEE 754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
float 内存分配：

double 内存分配：

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6 - 2 · 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。
对于M：
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。
对于E:
E为⼀个⽆符号整数
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。

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6 - 3 · 浮点数取的过程

简单来说：怎么存的就怎么取出来
其中：指数E从内存中取出还可以再分成三种情况

1. E不全为0或不全为1
   这时指数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大于1，即将小数点右移1位，则为1.0*2^(-1)，其
   E的计算值为-1+127(中间值)=126，表示为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐0到23位
   00000000000000000000000，则其⼆进制表示形式为:
   0 01111110 00000000000000000000000
   2.E为全0
   我们存进去的E是真实值还要加上一个中间值的，此时E的计算值为0，说明E是-127，代表这是一个极小的接近于0的数。
   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。
   3.E为全1
   对于32位浮点数来说，有8位存储E，此时E的计算值为255，那么真实值就为128，这说明此时是一个极大值
   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）

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6 - 4 · 解析代码

那么此时回到我们的代码

#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;
}

首先 9 以整型的形式存储，为

00000000000000000000000000001001

那么将这个二进制序列当作浮点数

S==0，E==00000000，M==00000000000000000001001

此时E全为0

那么按照计算：
V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
显然，V是⼀个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000
然后 9.0 以浮点数的形式存储
转换为二进制是：1001.0
科学计数法就是 1.001 * 2^3
那么存储的S为0，E为3+127==130，M为001后加20个0，二进制序列为
01000001000100000000000000000000
这个二进制被当作整数解析就是1091567616

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总结

以上简单介绍了内存函数以及数据在内存中的存储相关内容，关于C语言的其余内容，请期待后续更新

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以上内容如有错误或不准确之处，欢迎指出，或者你有更好的想法，也欢迎交流。