C语言——深度剖析数据在内存中的存储

电玩女神 2023-10-03 19:52 44阅读 0赞

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大家好！我是保护小周ღ，本期为大家带来的是深度剖析数据在内存中的存储，不知道，大家学了这么久C语言，有没有想过一个问题，我们在程序设计中的数据是怎么在计算机中存储的？我们都知道 一个整型数据 int 在内存中占4个字节，一个char 类型占一个字节，包括float 、double、指针…… 那他们又是怎么被计算机读取的呢？接下来跟着博主在内存的视角看数据。

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**目录**

一、计算机组成原理

1.1 一台完整的计算机由硬件和软件组成

1.2 计算机为什么采用二进制表示和存储信息

1.3 计算机的工作原理是“存储程序和程序控制”

1.4 总线

二、基本数据类型介绍

三、整型数据在内存中的存储

3.1 原码、反码、补码

3.2 进制转换

3.3 什么是大、小端存储？

3.4 程序深入理解

3.4.1 下面程序会得到怎样的结果

3.4.2 下面程序会得到怎样的结果

四、浮点型数据在内存中的存储

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## 一、计算机组成原理 ##

冯诺依曼领导的设计小组设计的计算机理论体系自1946年起一直沿用至今。

冯诺伊曼设计思想：

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### **1.1 一台完整的计算机由硬件和软件组成，两者相辅相成，缺一不可。** ###

> **硬件**：构成计算机的物理实体。
> 
> **软件**：计算机工作所必须的程序、数据及相关文档的集合。软件又分为系统软件和应用软件。我们的操作系统就是系统软件，我们的各种app就是应用软件。

> **运算器（ALU）**：进行算数运算和逻辑运算
> 
> **控制器(CU)**：控制各部件协调一致的工作
> 
> 我们的**CPU**(中央处理器)其实主要就是**运算器**和**控制器**组成。
> 
> **CPU**：（Central Processing Unit，中央处理器），他是计算机的核心元件，CPU 生产厂商中比较著名的就是 Intel 和AMD 公司，想必大家都不陌生吧。
> 
> 介绍CPU 的两种性能指标：
> 
> CPU的位和字长。位（bit）是计算机处理二进制数的基本单位，一个‘1’或者‘0’，就代表一位。字长就是CPU在指定单位时间内能一次处理的二进制位数，例如：32位的CPU 就能够在单位时间内处理字长位32位的二进制数据。
> 
> 多核心：是指单芯片多处理器，可以理解为，一个CUP可以“同时”处理不同的程序（像我们开了qq,又可以开微信，还能听歌，就得益于这种技术），以前的CPU可一次只能运行一个程序。

> **存储器**：用于存放程序数据的信息，分为内存和外存。
> 
> （1）内存：又称为内部存储器和主存储器，他是相对外存而言的，我们日常使用的程序，操作系统，游戏，各种app，其实都是放在外存（硬盘，U盘等）中的，但是使用他们必须要调入到内存中运行，只有内存可以和CPU直接进行数据交换，外部信息经内存进入CPU，我们能使用的是内存的RAM和高速缓存（Cache）。RAM既可以读也可以写，当计算机断电时，存储在其中的信息就会丢失，这也是为什么我们写完文档之后要保存的原因，保存之后其实就是数据由CPU控制经内存写入外存。读取的时候反过来。高速缓存的目的，是为了解决CPU处理数据的速度高于内存的读取速度，提升CPU的利用率，所以说，内存质量的好坏于容量大小会影响计算机的运行速度（玩游戏的同学应该有体会）。
> 
> （2）外存就是硬盘，U盘，光盘啥的嘛，即使断电也不会丢失信息，相对于内存价格便宜。

> **输入/输出设备**，也就是我们口中的 I/O 设备，输入：用于接收用户输入的数据和程序，存入计算机。输出：就是反着来嘛，像我们的显示器，音箱啥的就是经典的输出设备，鼠标键盘就是输入设备。
> 
> 那么硬盘属于什么设备呢？答案是 I/O 设备，因为他既可以输入数据，也可以输出数据，我们的读盘，写盘的操作嘛。

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### **1.2 计算机为什么采用二进制表示和存储信息** ###

> 最主要的原因：二进制数在物理上最容易实现，就像电路中可以用高、低电平来表示1和0，此时我们就可以用这些0和1组成的数据，来代表信息，数据是信息的载体，是信息的具体表现形势。其次是二进制进行算数、逻辑运算，运算规则简单。

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### **1.3 计算机的工作原理是“存储程序和程序控制”** ###

> 工作过程：将程序和数据通过输入设备输入计算机，并保存在存储器中，计算机执行程序时，按照程序的指令的逻辑，顺序的、自动的、连续的把指令依次取出来并执行，无须人为干涉。

###  ###

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### **1.4 总线** ###

> 主板上的总线（Bus）是连接CPU 和计算机上各种器件的一组信号线，用来在各部件之间传递数据和信息。主板上的总线按功能可以分为三类：
> 
> **控制总线（CB）**：用来发送CPU命令信号到存储器或 I/O设备的总线。
> 
> **地址总线（AB）**：由CPU向存储器传送“地址”的是地址总线。
> 
> **数据总线（DB）**：CPU、存储器和 I/O等设备之间数据传送的是数据总线。

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经过上文，博主的计算机基础知识的讲解，相信大家应该对我们的计算机有了一个初步的了解，现在跟着博主，一起站在内存的角度看C语言。

## 二、基本数据类型介绍 ##

基本的C语言数据类型，我们也掌握的许多。

C语言基本的数据类型（32位） ：

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实际上整型数据还有，**signed**(有符号)，**unsigned**(无符号)之分，例如：**unsigned int ,后面讲。**

**数值中有正数和负数，但也有些数值只有正数。这就是我们有符号，和无符号的意义，两者之间的存储数据的范围不一样。**

**char 类型有三种之分：**

**char , signed char ,unsigned char ,char 其实就是后两种的一种，要么有符号，要么无符号，这个取决于编译器，VS 2019 char == unsigned char ;**

**其他的默认是有符号的， int == signed int ……**

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## 三、整型数据在内存中的存储 ##

**定义变量是要在内存中开辟空间的，开辟空间的大小是根据不同的类型而决定的。**

**整型类型数据的取值范围限定的取值范围 Limits.h 文件中**

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### 3.1 原码、反码、补码 ###

整型数据在计算机中的数据保存和运算都是以二进制的形势，但是不是直接使用数据的原码，而是数据的补码。也就是说数据的运算存储都是数据的补码进行的。

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**那么两个整型数据怎么进行运算的呢？**

> CPU—运算器，只有加法器，所以加法和减法都是统一用加法器运算而且是由补码的形势运算的。
> 
> 如果 a=10,b=10;
> 
> 那么 a - b= a + (-b) =10 +（-10）

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**补码到原码的方法（主要是负数）**

计算机虽然存储运算的时候用补码，但显示数值的时候还是会用原码的形势显示出来

> **（1）采用逆运算，补码最后一位减1，符号位不变，数值位逐位取反，即可得到原码。** 
> 
> **（2）补码符号位不变，数值位逐位取反，最后一位加1 ，****即可得到原码。**

**char 型数据一般采用ASCLL码的形势存储， 一个ASCLL码占用存储空间一个字节，最高位固定为0，所以ASCLL码的取值范围为\[0，127\]；**

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### 3.2 进制转换 ###

那么是十进制数，如何转换为二进制数呢，最简单的办法，我们抄起计算器，但是我们还是要知道怎么算。

**（1）将（57.345）十进制数，转换为二进制计算方法如下：**

![b853ed7752ff467eb940851d371a8098.png][]

**（2）如何将 111001.01011 转换为十进制呢？**

![4b8a685be9bc41dd85db6b28cff6a872.png][]

> **1.**从某进制转换成某进制，可以先，转换成 2进制数，在利用二进制**按权展开**。
> 
> **2.**二进制转 16进制可以用 8 4 2 1码，因为1位16进制数最大是15，也就是F，刚好就是二进制4位全1 1111 这四个1的权重展开就是8 4 2 1，所以我们遇到一串二进制数，转换成16进制，就可以每四个二进制位一组（不够的补0），可以得到一位16进制数，注意从低位开始，小数部分也可。
> 
> **3.**八进制也是同样的道理，但是他的只能使用 4 2 1，最大为7，刚好就是三个二进制位 111 =7；
> 
> 所以是三个二进制位一组。

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### 3.3 什么是大、小端存储？ ###

![05dd38da710249df8ce3dfa7b6043302.png][]

根据上图，我们发现，我们的值以字节为单位（我们的存储单元最基本的单位就是字节），在内存中是倒着存贮的，嘶~，好奇怪啊。

一个数值超过1个字节，要在内存中存储，那就有了存储顺序的问题。

![281e6f9f46454a7aa85046d6f1d141f1.png][]

**所以大小端存储更像是一种标准。不同的编译器有着不同得存储顺序，但是一般都是大端或者是小端存储。**

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**博主用的是VS 2019 ，所以这个编译器是小端字节序存储。我们能不能用代码的形势来判断目前使用的编译器，是小端存储还是大端存储呢？**

#include <stdio.h>
    
    int check_sys()
    {
    	int i = 1;  
    	char* pi = (char*)&i;//将整型空间强转为字符型，并交给字符型指针pi维持
    	return *pi;//只能访问一个字节的内容。
    }
    int main()
    {
    	int ret = check_sys();//调用函数
    	if (ret == 1)
    	{
    		printf("小端序字节存储\n");
    	}
    	else
    	{
    		printf("大端序字节存储\n");
    	}
    	return 0;
    }

![b3bd66ba7f2646c2b240c319412724ce.png][]

> **1**.在 int 四个字节得整型空间里，只使用其中一个字节的内容存一个1；要么1在左边，要么1在右边。
> 
> **2.**我们把这个整型空间强转为字符型的指针维持，字符型指针只会访问一个字节的空间，所以根据字符型指针pi 解引用操作的得到的值即可判断是否是大端存储或者是小端存储。
> 
> **3.**字符型指针虽然在32位平台下有4个字节，但是他会根据自己的类型决定访问多少字节，所以 char\* 的指针解引用操作只会访问一个字节的内容，如果是int \* 的指针解引用可以访问4个字节的内容。
> 
> **4.**此时呢，字符型指针解引用操作访问一个字节的内容，如果访问到了1，表示小端存储，否则就是大端存储。
> 
> 本题就是利用这个特性，巧妙地判断。
> 
> **这是一道笔试题哦~**

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### 3.4 程序深入理解 ###

#### **3.4.1 下面程序会得到怎样的结果** ####

#include<stdio.h>
    int main()
    {
    	char a = -1;
    	signed char b = -1;
    	unsigned char c = -1;
    
    	printf("a=%d\nb=%d\nc=%d\n",a,b,c);
    	return 0;
    }

![7523fc2937474e26930a02a04f6d6edb.png][]

![78aa6c9d17f44d85a9a7637089600a0e.png][]

**根据这一题，我们可以得到 3 个知识点：**

> **1 . 原码，反码、补码之间的相互转换**
> 
> **2 . 截断：例如：高字节类型强转为低字节类型，就会发生截断，保留低位，舍去高位**
> 
> **3.  整型提升：一般用于不足整型的数据，有符号位根据符号位，高位补齐，无符号位，直接高位补0。**
> 
> **4. 一个字节的内容如果有符号位，数值位就只有7位有效，2^7-1=127,加入符号位，数据范围就是\[-128,127\]。**
> 
> **一个字节的内容如果无符号位，数值位，8位全部有效，2^8-1=255; 因为没有符号，所以数据取值范围\[0,255\]。**

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#### **3.4.2 下面程序会得到怎样的结果** ####

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**为什么程序会造成死循环？**

> **因为，变量 i 是无符号整型数据，无符号整型数据的取值范围一定是 >=0，没有符号位，也就无法表示负数。所以，循环的结束条件为 >= 0，条件是恒成立的， 当 i 等于 -1 的时候，在内存中的补码是全 1，但是没有符号位,所以就代表是正数，正数的原码，反码，补码相同。所以 i 会是一个很大的数，再逐渐递减。**

![d126b09b97be4205b647c79469ba2c81.png][]

**我们的编译器也会跟我们报错。**

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## 四、浮点型数据在内存中的存储 ##

来到这里，就说明浮点型数据在内存中的存储规则跟整型数据的不一样。

跟着博主的节奏，来深度解剖浮点型数据的秘密。

**浮点型类型数据的取值范围限定在 float.h**

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浮点数的类型啊，大致有 float ,double , long double 这几种。

那么浮点型的数据在内存中是怎么存储的呢？原码，反码，补码？ NO！大NO特NO。

![89577837c754486ea89eddb751aac580.png][]

**假设我们有一个浮点型数据 5.5，按照上图的表示方式，应该是怎么样的呢？**

![6248a4fd303349b18775b4a394dccc46.png][]

> **但是有些小数部分无法使用二进制数精确描述，需要不断的凑，比如说 0.3，你会发现无限循环了，不管怎么凑，都无法精确描述。我们能够用来存储小数的位数有限，所以就不得不舍弃一部分，取一个近似值，这就是浮点型数据精度丢失的原因。**

![c83a6f616cad465e80f23e8e8c97d15a.png][]

--------------------

**IEEE 754** **对有效数字M和指数E，还有一些特别规定。**

> **有效数 M:**  
> 前面说过， 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。
> 
> 在计算机内部保存M时，默认这个数的第一位总是1，所以就可以将其舍去，比保留小数部分（xxxxx），等到读取的时候再把1填回去还原，这样M 描述的精度就可以多存储一位。

**指数 E（E为一个无符号整数）：**

> 科学计数法E是可能出现负数的，所以在存储的时候E的真实值必须加上一个取值范围的中间数，例如:单精度 （float）E 占8位，取值范围 \[0，255\]，中间数是127，存储的是 E=E+127;

**指数E从内存中取出分成三种情况：**

> **E不全为0或不全为1**
> 
> 还原嘛，那就减去中间数（根据给E分配的位数），得到真实值。
> 
> 有效数字M不再加上第一位的1，而是还原为0.xxxxxx的小数。

>  **E全为0**  
> 浮点数的指数E等于1 - 中间数，即为真实值。

> 如果有效数字M全为0，表示±无穷大（正负取决于符号位S。

好了做个简单的了解即可，认真那就要找专业的师傅学习了，我是小学员。

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至此，C语言的深度剖析数据在内存中的存储博主已经分享完了，希望对大家有所帮助，如有不妥之处欢迎批评指正。

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本期收录于博主的专栏——C语言，适用于编程初学者，感兴趣的朋友们可以订阅，查看其它“C语言基础知识”。[C语言\_保护小周ღ的博客-CSDN博客][C_-CSDN]

感谢每一个观看本篇文章的朋友，更多精彩敬请期待：保护小周ღ **\*★,°\*:.☆(￣▽￣)/$:\*.°★\***

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