深度剖析数据在内存中的存储

  • 1.数据类型介绍
    • 1.1类型的基本归类
  • 2.整型在内存中的存储
    • 2.1原码、反码、补码
    • 2.2大小端介绍
    • 2.3练习
  • 3.浮点型在内存中的存储
    • 3.1浮点数存储规则

1.数据类型介绍

通过前面的学习，我们已经学习了基本的内置类型：

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 //单精度浮点数double //双精度浮点数

类型的意义：

  1. 使用这个类型开辟内存空间的大小。
  2. 如何看待内存空间的视角。

1.1类型的基本归类

整形家族：

//字符在内存中存储的是字符的ASCII码值，ASCII码值是整型，所以字符类型归类到整型家族。//unsigned-无符号的//signed-有符号的charunsigned charsigned charshortunsigned shortsigned shortint unsigned intsigned intlong unsigned longsigned long

浮点数家族：

floatdouble

构造类型（自定义类型）：

数组类型结构体类型 struct枚举类型 enum联合类型 union

指针类型：

int *pi;char *pc;float *pf;void *pv;

空类型：

void表示空类型（无类型）
通常用于函数的返回类型、函数参数、指针类型。

void test(void){//第一个void表示test函数不会返回任何值//第二个void表示test函数没有参数}

2.整型在内存中的存储

✅我们之前了解到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决定的。
计算机能够处理的是二进制的数据，整型和浮点型数据在内存中也都是以二进制的形式进行存储的，想要了解清楚整型在内存中的存储，我们就需要了解一下原码、反码和补码。

2.1原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法，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，而数值位正数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同：

原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。
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反码。
补码：反码+1就得到补码。

✅注意：对于整型来说，数据存放内存中其实存放的是补码❗

为什么呢？
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。

2.2大小端介绍

#include int main(){int a = 20;//原码、反码、补码：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0100//00 00 00 1 4//0x 00 00 00 14return 0;}

在前面的示例中，变量a储存的是补码，但是顺序有点不一样，这是为什么呢？这里我们就需要了解一下大端小端。
什么是大端小端？

大端（存储）模式，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，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。

为什么有大端和小端：
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。

我们也可以通过一下程序来进行测试：

#include int check_sys(){//01 00 00 00int 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;}

2.3练习

练习1：

#include int main(){char a = -1;//原码：10000000000000000000000000000001//反码：11111111111111111111111111111110//补码：11111111111111111111111111111111//11111111-asigned char b = -1;//11111111-bunsigned char c = -1;//11111111-cprintf("a = %d,b = %d,c = %d\n", a, b, c);//%d是十进制的形式打印有符号的整数//a整型提升:11111111111111111111111111111111//反码：10000000000000000000000000000000//补码：10000000000000000000000000000001//b整型提升:11111111111111111111111111111111//反码：10000000000000000000000000000000//补码：10000000000000000000000000000001//c整型提升:00000000000000000000000011111111（正整数原码、反码、补码一致）为255return 0;}

✅运行结果：

练习2：

#include int main(){//原码：10000000000000000000000010000000//反码：11111111111111111111111101111111//补码：11111111111111111111111110000000//10000000-a//整形提升：11111111111111111111111110000000char a = -128;//%u-打印无符号整数printf("%u\n", a);return 0;}

✅运行结果：

练习3：

#include int main(){//原码：00000000000000000000000010000000//反码：01111111111111111111111101111111//补码：01111111111111111111111110000000//10000000-a//整形提升：11111111111111111111111110000000char a = 128;//%u-打印无符号整数printf("%u\n", a);return 0;}

✅运行结果：

注意：



练习4：

#include int main(){int i = -20;//原码：10000000000000000000000000010100//反码：11111111111111111111111111101011//补码：11111111111111111111111111101100unsigned int j = 10;//补码：00000000000000000000000000001010//补码运算结果：11111111111111111111111111110110//反码：11111111111111111111111111110101//原码10000000000000000000000000001010结果为-10printf("%d\n", i + j);return 0;}

✅运行结果：

3.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.141591E10

浮点数家族包括： float、double、long double 类型。
浮点数表示的范围：float.h中定义

3.1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。
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。
IEEE 754规定：
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。
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（unsigned int）这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0255；如果E为11位，它的取值范围为02047。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。
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）

好啦，关于数据在内存中存储的知识点到这里就结束啦，后期会继续更新C语言的相关知识，欢迎大家持续关注、点赞和评论！❤️❤️❤️