【C语言】数据在内存中的存储详解

￡神魔★判官ぃ 2023-10-14 14:26 46阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一、什么是数据类型
 *  二、类型的基本归类
 *  三、 整型在内存中的存储
 *   *  1.原码、反码、补码
     *  2.大小端
     *   *  (1)什么是大小端
         *  (2)为什么会有大小端
 *  四、浮点型在内存中的存储
 *   *  1. 浮点数存储规则
 *  五、练习
 *   *  1.
     *  2.
     *  3.
     *  4.
     *  5.
     *  6.
     *  7.

## 一、什么是数据类型 ##

> 我们可以把数据类型想象为一个矩形盒子，int、char 等类型 分别为不同的盒子 可以放着不同大小的东西（数据）（即所占存储空间的大小）  
> 类型的的意义：  
> 使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）  
> 如何看待内存空间的视角。

## 二、类型的基本归类 ##

![在这里插入图片描述][10679741a1e24d74a407265785a7c593.png]  
注意：  
字符在内存中存储的是字符的ASCII码值，ASCII码值为整型，所以字符归类到整型家族。  
char 是否为signed char 其中C语言标准没有规定，取决于编译器。

## 三、 整型在内存中的存储 ##

**一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。**  
接下来 我们来看看数据在内存中开辟的空间是如何存储的

### 1.原码、反码、补码 ###

首先我们须知计算机中的**整数**有三种表示方法：原码、反码、补码  
这三种表示方法都有 **符号位（一般在二进制数的最高位，0 表示 正，1表示 负）和数值位**两部分。

*  正整数的原、反、补码都相同
 *  负整数的三种表示方法是不同的
    
     *  **原码** 直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以
     *  **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了
     *  **补码**反码+1就得到补码  
        注意对于整数来说 **数据存放在内存中其实存放的是补码**  
        原因是 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 ###

#### (1)什么是大小端 ####

前提：  
![在这里插入图片描述][886af5ef723d4140b549c640a7fffaff.png]

**大小端字节序指的是数据在电脑上存储的字节顺序**

*  大端(存储)模式,指的是**数据的低位存储在内存的高地址**中 ，而**数据的高位存储在内存的低地址**中  
    ![在这里插入图片描述][65e1f1755474494b963f0ee610615063.png]
 *  小端(存储)模式,指的是**数据的低位存储在内存中的低地址中，数据的高位存储在内存的高地址中**巧记（**低低高高**）  
    ![在这里插入图片描述][c7d87a8947ee4e02a597cd89d259f40a.png]  
    其中在 VS2022中，就是采用的**小端模式**  
    ![在这里插入图片描述][0c225c2cbe394441b79bd7bf8b6a7eca.png]

#### (2)为什么会有大小端 ####

因为在计算机系统中，以字节为单位，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为 8 bit。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。**  
【例】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KEILC51 则为大端模式。很多ARMDSP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  
【系统工程师笔试题】

> 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。

![在这里插入图片描述][97f6638e688d4b12959d65b0ce6e7c79.png]

#include<stdio.h>
    int check_sys() 
    {
        
    	int a = 1;
    	char* p = (char*) & a;//拿到一个字节地址
    
    	if (*p == 1)
    		return 1;
    	else
    		return 0;
    
    	//可以有优化 return *( (char*)&a ); 
    }
    int main() 
    {
        
    	if (check_sys())
    		printf("小端\n");
    	else
    		printf("大端\n");
    
    	return 0;
    }

## 四、浮点型在内存中的存储 ##

> 常见的浮点数：
> 
>  *  3.141592
>  *  1E10 这个E相当于指数 科学计数法 1 \* 10^10 1乘10的10次方  
>     浮点数家族包括： float、double、long double 类型。  
>     浮点数表示的范围（下面会有详细说明）：（在vs中，\#include<float.h> 转到定义可以查看）*下面的图片如果理解困难没有关系*  
>     ![在这里插入图片描述][ff811765bfd24148ada918d80c32c89a.png]

### 1. 浮点数存储规则 ###

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：

*  **(-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，大于等于1，小于2。**
 *  **2^E表示指数位**

【例】10进制：9.0 写成二进制 1001.0 改写为 1.001\* 2^3改为 (-1) ^0 \* 1.001 \* 2 ^ 3。S = 0,M = 1.001,E = 3。  
**IEEE标准**提供了两种主要的浮点数格式: **单精度(32位)和双精度(64位)**。分为三个部分：**符号、指数和小数**。指数部分决定了浮点数的范围。而小数部分的位数决定了精度。(见下图)

对于32位的浮点数，最高的1位是符号位s，接着的8位是指数E，剩下的23位为有效数字M。  
对于64位的浮点数，最高的1位是符号位S，接着的11位是指数E，剩下的52位为有效数字M。  
![在这里插入图片描述][ef831d7b532543f1a1a140697706ce5f.png]  
注意IEEE754对有效数字M和指数E还有其他规定

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。  
**有效数字M**  
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。  
**指数E**  
E为一个无符号整数，**如果E为8位（0~255）,E为11位（0 ~2047）。又因为科学 计数法法中的E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。  
接下来 讨论

*  **E全为1时**，当M全为0时，表示无穷大（正负取决于符号位S）
 *  **E全为0时**，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。
 *  **E非全0非全1时**，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。0.5（1/2）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=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

## 五、练习 ##

下面代码输出什么？

### 1. ###

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

【结果】a=-1,b=-1,c=255  
解析  
![在这里插入图片描述][343d498aeddb46209d2f136d0a348f51.png]

### 2. ###

#include<stdio.h>
    
    int main() 
    {
        
    	char a = -128;
    	printf("%u\n",a);
    	return 0;
    }

【结果】4294967168  
解析  
![在这里插入图片描述][5dc044418df247adb7f10e791ad030eb.png]

### 3. ###

#include<stdio.h>
    
    int main() 
    {
        
    	char a = 128;
    	printf("%u\n",a);
    	return 0;
    }

【结果】4294967168  
解析  
![在这里插入图片描述][ef4ece70cac042cc95c7c0556e4728fb.png]

### 4. ###

#include<stdio.h>
    
    int main() 
    {
        
    	int i = -20;
    	unsigned int j = 10;
    	printf("%d\n",i+j);
    	return 0;
    }

【结果】-10  
解析  
按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数  
![在这里插入图片描述][72a42ffed85949dca8b3e38d9b11fb12.png]

### 5. ###

#include<stdio.h>
    int main() 
    {
        
    	unsigned int i;
    	for (i = 9; i >= 0;i--)
    	{
        
    		printf("%u\n",i);
    	}
    	return 0;
    }

【结果】死循环  
解析  
unsigned int （范围 0~4294967295）永远不可能小于0  
for 循环的 判断条件是 i >= 0

### 6. ###

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

【结果】255  
解析  
![在这里插入图片描述][314642abd96b424dbe5a980c538719d9.png]

### 7. ###

#include<stdio.h>
    unsigned char i = 0;
    int main() 
    {
        
    	for (i = 0; i <= 255;i++)
    	{
        
    		printf("hello world\n");
    	}
    	return 0;
    }

【结果】死循环打印hello world  
解析  
unsigned char 范围 为 0~255 所以此 i 的取值范围不可能大于255，for循环的判断部分进而不会停下

[10679741a1e24d74a407265785a7c593.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/10679741a1e24d74a407265785a7c593.png
[886af5ef723d4140b549c640a7fffaff.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/886af5ef723d4140b549c640a7fffaff.png
[65e1f1755474494b963f0ee610615063.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/65e1f1755474494b963f0ee610615063.png
[c7d87a8947ee4e02a597cd89d259f40a.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/c7d87a8947ee4e02a597cd89d259f40a.png
[0c225c2cbe394441b79bd7bf8b6a7eca.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/0c225c2cbe394441b79bd7bf8b6a7eca.png
[97f6638e688d4b12959d65b0ce6e7c79.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/97f6638e688d4b12959d65b0ce6e7c79.png
[ff811765bfd24148ada918d80c32c89a.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/ff811765bfd24148ada918d80c32c89a.png
[ef831d7b532543f1a1a140697706ce5f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/ef831d7b532543f1a1a140697706ce5f.png
[343d498aeddb46209d2f136d0a348f51.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/343d498aeddb46209d2f136d0a348f51.png
[5dc044418df247adb7f10e791ad030eb.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/5dc044418df247adb7f10e791ad030eb.png
[ef4ece70cac042cc95c7c0556e4728fb.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/ef4ece70cac042cc95c7c0556e4728fb.png
[72a42ffed85949dca8b3e38d9b11fb12.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/72a42ffed85949dca8b3e38d9b11fb12.png
[314642abd96b424dbe5a980c538719d9.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/314642abd96b424dbe5a980c538719d9.png