数据在内存中存储的现象

迈不过友情╰ 2024-04-17 06:18 59阅读 0赞

> ![715a4f447b2e4e589596a68087a481a9.png][]
> 
> ?本文作者：大家好，我是paper jie，感谢你阅读本文，欢迎一建三连哦。
> 
> ?内容专栏：这里是《C知识系统分享》专栏，笔者用重金(时间和精力)打造，基础知识一网打尽，希望可以帮到读者们哦。
> 
> ?内容分享：本期会对C语言中的数据存储进行具体讲解，各位看官姥爷快搬好小板凳坐好叭。
> 
> ?：不要998，只要一键三连，三连买不了吃亏，买不了上当(写作不易，拜托拜托）。

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

**目录**

?本章介绍重点

?数据类型的介绍

?类型的基本归类

?整型在内存中的存储

?原码，反码，补码

⚾大小端介绍

?浮点数在内存中的存储

?有一个例子

?浮点数存储规则

?解析前面的题目

?分析代码

?总结

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

## ?本章介绍重点 ##

1. 数据类型的详细介绍

2. 整型在内存中的存储：原码，反码，补码

3. 大小端字节序介绍及判断

4. 浮点型在内存中的存储解析

## ?数据类型的介绍 ##

char         //字符数据类型
    short        //短整型
    int          //整型
    long         //长整型
    long long    //更长的整型
    float        //单精度浮点型
    double       //双精度浮点型

类型的意义：

使用这个类型开辟的内存空间的大小（大小决定了使用范围）

如何看待内存空间的视角

### ?类型的基本归类 ###

**整型家族：**

![6c64ce7a245c45bbbf545d25c9f98c58.png][]

注意：因为字符存储的时候，存的是ASCII码值，是整型，所以归类为整型家族

**浮点数家族：**

![c33aaf58c79c4273a505d60337109ebb.png][]

**构造类型（自定义类型）：**

![0734439d30094bce8fa12bc372ca16cf.png][]

**指针类型：**

![d9d31d0d7ca343c1a05b3bdd5b4f193d.png][]

**空类型：**

void表示空类型（无类型）

通常用于函数的返回类型，函数的参数，指针类型。

## ?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，空间的大小是由不同的类型决定的。接下来我们谈谈数据在内存中开辟后是如何存储的？

比如 int a = 10；我们知道a分配到了4个字节的空间。但它是如何在内存中存储的呢？

下面我们来了解一下原码反码补码的概念：

### ?原码，反码，补码 ###

计算机中有三种2进制的表现形式：原码，反码，补码。

三种表示方法都有符号位和数值位，首位为符号位，后面的都是数值位。符号位都是用0表示正数，1表示负数。

正数的原码反码补码都相同，但负数的原码反码补码都不相同

负数的原码反码补码计算方式：

> 原码： 直接按照正负数的形式翻译成二进制位就是原码
> 
> 反码：符号位不变，原码的其他位取反
> 
> 补码：反码加一

**对于整型来说：数据存放内存中其实是存放的补码。为什么呢？**

> 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）补码和原码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

这里给大家举例分析加深印象：

正数：  
![0088ce2462e5480fb2f3714308edb75e.png][]

负数：

![05da36f5ed06499f8f17cc2f05f7db2b.png][]

**我们可以发现变量在内存中存储的是补码，但是顺序又不对。**

这是为什么呢？

### ⚾大小端介绍 ###

**什么是大小端：**

大端模式：数据的低位保存在内存的高地址位，数据的高位保存在内存的低地址位

小端模式：数据的低位保存在内存的低地址位，数据的高位保存在内存的高地址位

**为什么有大小端：**

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 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  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模式

还是小端模式。

![c0975cc99df545d7afbd34e675950b39.png][]

下面有一道百度的笔试题，是设计一个小程序来判断机器的字节序，我们一起来看看吧

我们设计是思路是用指针取出a的第一个地址，在用char解引用取出第一个字节地址里的内容和a的低位比较看是不是相等，是则小端，反之大端。

![19b01bc62d4643808971bc9909e6beac.png][]

## ?浮点数在内存中的存储 ##

常见的浮点数有两种：3.14159 1E10, 浮点数家族包括：float，double， long doudle类型。浮点数表示的范围：float.h中有定义

### ?有一个例子 ###

这是一个有关浮点数和整数存储的例子，大家可以猜猜答案是多少？

#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;
    }

我想，应该有很多人会认为：

n的值为：9

\*pFloat的值为： 9.000000

num的值为： 9

\*pFfloat的值为：9.000000

让我们运行看看是不是这些答案叭！

![58510803f3da4a90abe7256bed7bebe9.png][]

咦，我们发现这些答案和我们猜的有极大的区别，这是为什么呢？我们缓一下，先来了解下面的知识，再回过头来看这个例子叭。

### ?浮点数存储规则 ###

num  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？

要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。

详细解读：

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。

举例来说：

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 。

**画图举例：**![a8d2d693351d4da785a56afb5017a949.png][]

IEEE 754中规定：

**对于32位的浮点数，最高位的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M**

![2cce5643d52e4d72b5bfdb5d652093e0.png][]

**对于64位的浮点数，最高位的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M**

![52e5db5660264f97a005e8725aca414d.png][]

**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。**

**首先，** **E** **为一个无符号整数（** **unsigned int** **）**

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。

**画图举例：**

![646b6b91e38c40e6be1fa376d9246a52.png][]

然后，指数 E 从内存中取出还可以再分成三种情况：

**E** **不全为** **0** **或不全为** **1**

**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。**

比如：

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 ，则其存入的二进制表示形式为:

00111111000000000000000000000000

**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.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** **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 ）

### ?解析前面的题目 ###

为什么9变成浮点数就成了0.000000

首先，9的2进制是00000000000000000000000000001001，因为n是整数，将n强制类型转化给\*pfloat，就相当于整数n的二进制被当做了浮点数在内存中的储存方法。我们将它拆分，得到s=0,E=00000000，M=00000000000000000001001。因为E全为0，所以当我们用科学计数法将它取出来就是 (-1)^0 \* 0.00000000000000000001001\*2^(-127). 我们可以发现它是一个无限接近小数的数，所以%f打印出来就是带有6位小数的0.000000

![11be66ca6f164da9bdf6b2088064eae7.png][]

为什么n的值打印后是一个特别大的数

首先浮点数9.0的二进制是1001.0， 科学计数法为：（-1)^0\*1.001\*2^3, s=0 M=1.001 E=3

所以在9.0内存中存储就是：0 0000010 00100000000000000000000.这时以%d打印就是把9.0在内存中储存的数据当成了补码，还原成10进制打印出来。我们用计算机算一下发现它的十进制就是17,825,792

![52ee98680374476ca6943ec99a9a3247.png][]

### ?分析代码 ###

#include <stdio.h>
    
    int main()
    {
    	int n = 9;
    	//00000000000000000000000000001001
    	float* pFloat = (float*)&n;
    	printf("n的值为：%d\n", n);
    	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
    	//s=0,E=00000000，M=00000000000000000001001
    	//(-1)^0 * 0.00000000000000000001001*2^(-127) = 无穷小
    	*pFloat = 9.0;
    	//0 0000010 00100000000000000000000
    	printf("num的值为：%d\n", n);
    	//%d打印就是把9.0在内存中储存的数据当成了补码，还原成10进制打印出来
    	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
    	return 0;
    }

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

## ?总结 ##

到这里我们对数据存储的深挖就结束了，通过这一次想必大家对数据存储的认识又提高了一个层次。下一章我们将会对指针进行更加细致的分析。

[715a4f447b2e4e589596a68087a481a9.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/11249b83c7d24d2fb7a15a645eb4e998.png
[6c64ce7a245c45bbbf545d25c9f98c58.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/e8c1280051c5443fb1f5a7a40eecc30e.png
[c33aaf58c79c4273a505d60337109ebb.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/91cdd48e301b49819f615c7a70502676.png
[0734439d30094bce8fa12bc372ca16cf.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/6ed06306a9ac4763b805e7988f26940a.png
[d9d31d0d7ca343c1a05b3bdd5b4f193d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/ddb8af6703b84819ad1c6e3d1345faaf.png
[0088ce2462e5480fb2f3714308edb75e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/893c2077539c4396a3090757aa470bb1.png
[05da36f5ed06499f8f17cc2f05f7db2b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/9f8dbc56f2174516b859e512642e505c.png
[c0975cc99df545d7afbd34e675950b39.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/6ad3a3455e9c4f369c3c011d55cfe667.png
[19b01bc62d4643808971bc9909e6beac.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/1ab819157138485cb594d3f381fd07e1.png
[58510803f3da4a90abe7256bed7bebe9.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/3495ac32f9a44a61a002699fb8ccfa4c.png
[a8d2d693351d4da785a56afb5017a949.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/d40b31389e4b46e0add5ed5a3333a7b9.png
[2cce5643d52e4d72b5bfdb5d652093e0.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/565148a02d3c4e73bbaa619c54e83326.png
[52e5db5660264f97a005e8725aca414d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/3d0aa938295e4201b395ef42f9848a68.png
[646b6b91e38c40e6be1fa376d9246a52.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/bbc1dc124dfe42b9994f65f9f8977d29.png
[11be66ca6f164da9bdf6b2088064eae7.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/9e3e32b5dde54f28b7224e2380853405.png
[52ee98680374476ca6943ec99a9a3247.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/15/cc5c3ee1cd0a413d82ee1fe3bec9b074.png