深度剖析数据在内存中的存储

  • 数据类型介绍
  • 类型的基本归类
  • 整形在内存中的存储
  • 大小端介绍
  • 整形在内存中的存储的相关练习
  • 浮点型在内存中的存储
    • 浮点型在内存中的存储相关介绍

数据类型介绍

内置类型（C语言本身就具有的类型）：

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

类型的意义：
1.使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用的范围）
2.如何看待内存空间的视角

类型的基本归类

整形家族：

char unsigned char signed char short unsigned short [int] signed short [int] intunsigned intsigned intlong unsigned long [int] signed long [int]

注：字符类型底层存储的是这个字符的ASCII值，ASCII值是个整数

浮点数家族：

floatdouble

构造类型（自定义类型）：

  • 数组类型
#includeint main(){int arr[10];// int [10]是arr的类型int arr2[5]; //int [5]是arr2的类型 //这两个数组的类型是不同的 return 0;}

注：数组类型是一种自定义类型数组放几个元素自己指定，数组的类型也可以自己指定

  • 结构体类型 struct
  • 枚举类型 enum
  • 联合类型 union

指针类型：

int *pichar *pcfloat *pfvoid *pv

空类型

void 表示空类型（无类型）通常应用于：函数的返回类型void test（）;函数的参数 void test（void）;指针类型 void *pv;

整形在内存中的存储


注：

  • 数据在内存中以二进制的形式存储
  • 对于整数而言整数的二进制表示有三种表示形式：原码、反码、补码
  • 对正整数而言正整数的原码、反码、补码相同
  • 对负整数而言负整数的原码、反码、补码不同，原码、反码、补码是要进行计算的
  • 对负整数而言负整数的原码、反码、补码有三种表示方法均有三种符号位和数值为两部分，符号位（二进制中的最高位）都是用0表示的正，用1表示负，而数值位三种表示方法个不相同。按照数据的数值直接写出的二进制序列就是原码。原码的符号位不变，其他位按位取反，得到的就是反码。反码+1得到的就是补码。
  • 整数在内存中是以二进制补码的形式存储的

总结：

原码、反码、补码计算机中的有符号数有三种表示方法，即原码、反码和补码。三种表示方法均有符号位和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位三种表示方法各不相同。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。正数的原、反、补码都相同。对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

使用补码存储数据的原因：


内存中的数据是以补码的形式存储的，这样CPU使用补码进行计算才能得出正确的结果

在计算机中，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（即取反，在+1），不需要额外的硬件电路。

大小端介绍

实例一：

不管是整数里面的正整数还是负整数，发现在当前编译器底下，这些补码都是倒着存储的

大小端定义：

  • 大端（存储）模式（大端字节序），是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中。
  • 小端（存储）模式（小端字节序），是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位，保存在内存的高地址中。

当前编译器采用的是小端字节序的存储模式

大端字节序和小端字节序存在的意义

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。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，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果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。

实例二（经典面试题）：

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。

优化：

int check_sys(){int a = 1;return *(char*)&a;//返回1表示小段，返回0表示大段}int main(){int ret = check_sys();if (ret == 1){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}return 0;}

整形在内存中的存储的相关练习

实例一：

//输出的是什么#includeint 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;}

运行结果

分析

注：

  • %d打印是以原码的形式进行打印的。
  • char类型到底是unsigned char类型还是signed char类型，C语言标准并没有规定取决于编译器，但是大部分编译器底下char类型指的是signed char类型
  • int类型指的是signed char类型
  • short类型指的是signed short类型

实例二：

#includeint main(){char a = -128;printf("%u\n", a);//%u表示打印的是无符号数return 0;}

运行结果

分析

注：无符号整数的原、反、补码相同

实例三：

#includeint main(){char a = 128;printf("%u\n", a);return 0;}

运行结果

分析

补充：

  • char类型如果在内存中存储的是10000000二进制序列，这个数字是不能计算的因为这个二进制序列不能再减一了，这个二进制序列直接就会被当成-128（直接被解析成-128）。
  • 有符号char类型的取值范围是[-128，127]
  • 无符号char类型的取值范围是[0，255]

实例四：

#includeint main(){int i = -20;unsigned int j = 10;printf("%d\n", i + j);return 0;}

运行结果

分析

实例五：

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

运行结果：死循环

分析：

当i为unsigned int类型时，它是恒大于等于零的，for循环中的判断条件是i>=0是恒为真的，因此该循环为死循环。（因为当i为负数时会将i转化为较大的正整数（因为i为unsigned int类型））

实例六：

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

运行结果

分析

补充

实例七：

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

运行结果：死循环

分析

当i为unsigned char类型时，它的范围是[0，255]，它是恒小于等于255的，for循环中的判断条件是i<=255是恒为真的，无论i为何值判断条件恒为真，因此该循环为死循环。（当i=256（i最大为255）是会把i转化为0（i为unsigned char类型）从而进行死循环。）

浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159 1E10 //1.0*10^10

浮点数家族包括： float、double、long double 类型。

注：大多数编译器不支持long double 类型，这是C99中才引入的类型

浮点数表示的范围：float.h中定义

整形表示的范围：limits.h中定义

注：

  • 对于整形家族它们的取值范围定义在limits.h的头文件里
  • 对于浮点型家族这些变量创建类型和取值范围是定义在float.h的头文件里
  • C语言中,双精度浮点(double)型，占8 个字节（64位）内存空间。其数值范围为1.7E-308～1.7E+308，双精度完全保证的有效数字是15位，16位只是部分数值有保证，而单精度保证7位有效数字，部分数值有8位有效数。
  • 单精度浮点数%f输出float类型，输出6位小数；双精度浮点数用%lf格式输出，输出6位小数。

浮点数的存储

注：浮点数和整数在内存中存储的方式一定是有区别的

浮点型在内存中的存储相关介绍

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：

  • 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。

  • 十进制的5.5，写成二进制是 101.1 ，相当于 1.011×2^2 。那么，s=0，M=1.011，E=2。

IEEE 754规定对于32位的浮点数（float类型），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（double类型），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。

浮点数在内存中存储：

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。

浮点数在内存中取出：

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，则其二进制表示形式为

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.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）。

注：IEEE 754规定浮点数可以这样拆分而C语言是按照IEEE 754这样的方式进行存储的，其中C++也是这样存储的（其他语言不确定）。

实例一：

实例二：

分析：

  • 0x00000009 还原成浮点数就成了 0.000000 ：首先将 0x00000009 拆分，得到第一位符号位s=0，后面8位的指数 E=00000000 ，最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 00001001。
9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
  • 由于指数E全为0，所以符合上面的第二种情况。因此浮点数V就写成： 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。
  • 第二部分中浮点数9.0还原成整数就成了1091567616：首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。
9.0 -> 1001.0 ->(-1)^01.0012^3 -> s=0, M=1.001,E=3+127=130
  • 那么，第一位的符号位s=0，有效数字M等于001后面再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010。 所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即
0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000
  • 这个32位的二进制数，还原成十进制，正是 1091567616

注： %f打印浮点数时只打印小数点后面的六位

补充：上面的代码思路是按整数或者浮点数的形式存储到内存，再以浮点数或者整数的形式从内存中取出。但是这种思路将整数或者浮点数的形式存储到内存，再以整数或者浮点数的形式从内存中取出，再以浮点数或者整数的形式进行打印这样的思路是不对的。

eg：

int main(){float f=9.0f;printf("%d\n",f);return 0;}

注：C语言中printf用%d输出float类型数据，或以%f输出int型数据的结果