C语言数据在内存中的存储

1，整数在内存中的存储

整数的二进制形式有三种：原码，反码，补码

正数和无符号整数的原反补相同

负数原反补不同

原码：符号位+数值位的二进制形式

反码：原码取反

补码：原码取反+1

整形在内存中存储的是补码

2，大小端字节序和字节序判断

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

我们可以看到a在内存中是倒着存储的，这是为什么呢？

2.1 什么是大小端

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，分为大端字节序存储和小端字节序存储。

大端模式：

是指数据的低位字节内容保存在内存的高地址处，数据的高位字节内容保存在低地址处

小端模式：

是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，数据的高位字节内容保存在高地址处

2.2 为什么有大小端？

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，16位32位处理器，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,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，即0x0010，0x22放在高地址，即0x0011中。小端模式，正好相反。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还是小端。

2.3 练习

**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

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//代码1 
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
    int i = 1;
    return (*(char *)&i);
}

int main()
{
    int ret = check_sys();
    if(ret == 1)
    {
        printf("⼩端\n");
    }
    else
    {
        printf("⼤端\n");
    }
    return 0;
}
//代码2 
int check_sys()
{
    union
    {
        int i;
        char c;
    }un;
    un.i = 1;
    return un.c;
}

代码1中&i的类型是int*，强转为char*然后解引用取到的是第一个字节的数据，小端是正着存的，大端是倒着存的。

练习2

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
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;
}

a和b其实是一样的都是signed char，vs默认就是有符号char，二进制原码形式为：10000001，补码：11111111，然后整形提升前面加上24个1，所以以%d打印出来原码还是10000001（-1）

-1的补码是32个1，存在c里面就是8个1，因为char只有8位，因为c是无符号char用%d打印时整形提升前面补0就是11111111（255）

练习3

cpp 复制代码

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

cpp 复制代码

    //-128是int原码是10000000000000000000000010000000
    //           反码11111111111111111111111101111111
    //           补码11111111111111111111111110000000
    //a存的是10000000
    //128原反补码00000000000000000000000010000000
    //b存的是10000000
    //以无符号整数的形式打印，先整数提升
    //a,b默认都是有符号char，整形提升补符号位
    //a=b=11111111111111111111111110000000
    //因为打印的是unsigned int所以原反补相同就直接打印

练习4

cpp 复制代码

#include <string.h>

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

cpp 复制代码

//vs默认是signed char范围是-128~127
//从-1开始往数组里面存一直存到-128-1就到了127
//从127再往下减一直到0（\0）就结束
//总个数是128+127=255

练习5

cpp 复制代码

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

因为unsigned char的范围就是0~255恒<=255,条件一直为真，死循环

cpp 复制代码

int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}

unsigned int恒大于等于0，死循环

练习6

cpp 复制代码

//X86环境⼩端字节序

int main()
{
	int a[4] = { 1, 2, 3, 4 };
	int* ptr1 = (int*)(&a + 1);
	int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);
	printf("%x, %x", ptr1[-1], *ptr2);//4，2000000
	return 0;
}

低地址---》高地址

打印就是20 00 00 00

3，浮点数在内存中的存储

浮点数包括：float,double,long double。范围在float.h中定义

cpp 复制代码

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

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？

为了寻找到答案，我们需要搞懂浮点数在计算机内的表示方法

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

表示符号位，S=0，V为正数，S=1，V为负数

M表示有效数字，M是大于等于1，小于2的

表示指数位

举例：

十进制的5.0，写成二进制是101.0，相当于1.01*

这里S=0,M=1.01,E=2

-5.0的话就是S为1，其余的不变

float和double内存分配

3.1 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

1 <= M < 2，也就是说M可以写成1.xxxxx的形式，其中xxxxx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，只保存后面的小数部分，比如保存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，将第一位的1舍去以后，等于可以保存24位有效数字。

指数E情况比较复杂

首先，E为一个无符号整数

这就意味着，如果E为8位，它的取值范围就是0~255；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，中间数是127，11位的E的中间数是1023.

比如：的E是10，所以保存为32位浮点数时，必须保存成10+127=137，即10001001.

这样的浮点数存储方式很巧妙，但是有些浮点数是无法精确保存的，比如1.2

3.2 浮点数取的过程

指数E从内存中取出还可以再分为三种情况

E不全为0或不全为1（常规情况）

这时，浮点数就采取下面的规则表示，即指数E的计算值减去127（或1023），得到真实值，再将有效值数字M前加上一位的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，即将小数右移1位，则为1.0*，其阶码为-1+127=126，表示为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐0到23位，二进制表示形式为

cpp 复制代码

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.xxxx的小数。这样做为了表示+-0，以及接近于0的很小的数字

cpp 复制代码

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）

cpp 复制代码

0 11111111 00010000000000000000000

解析：

为什么9还原成浮点数，就成了0.000000？

整数9再内存中的二进制序列

cpp 复制代码

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

根据公式可知S=0，E=00000000，M=00000000000000000001001

指数全为0就可以写成

是一个很小的值所以10进制就是0.000000

浮点数9.0，为什么整数打印是1091567616

9.0的二进制为1001.0，换算成科学计数法是：

所以：9.0 =

S=0，E=001后面加上20个0，E=3+127=130，即10000010

cpp 复制代码

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位的⼆进制数，被当做整数来解析的时候，就是整数在内存中的补码，原码正是1091567616