[C++知识库]【C语言进阶】终极奥义 数据在内存中是这样存储的

温馨提示

大家好我是Cbiltps，在我的博客中如果有难以理解的句意，难以用文字表达的重点，我会有配图。所以我的博客配图非常重要！！！

如果你对我感兴趣请看我的第一篇博客！

本章重点

1. 数据类型详细介绍
2. 原码、反码、补码
3. 整形在内存中的存储
4. 大小端字节序介绍及判断
5. 浮点型在内存中的存储解析

正文开始

1. 数据类型详细介绍

目前我们已经学习的基本内置类型和它的字节大小：

char			//字符数据类型   1字节
short			//短整型         2字节
int    			//整型           4字节
long    		//长整型         4（或8）字节
long long    	//更长的整型     8字节
float			//单精度浮点型   4字节
double    		//双精度浮点型   8字节

为什么存在这么多的数据类型？
类型大小决定了通过这个类型创建变量所占内存的大小，而存储空间大小所存储数据的范围不同。
这个时候可以根据情况选择适合的类型（提升内存的利用率）：
1.选择的过大：浪费空间
2.选择的过小：空间不够

1.1类型的基本归类

整形家族：

注意：
char的有无符号取决于编译器，大部分的编译器下是有符号的

这样我们可以推算有关一个字节的范围:

温馨提示:上面牵扯原码 反码 补码的知识将在下面讲解！

浮点数家族：

double	//双精度
float	//单精度

什么时候用float，什么时候用double?
1.对精度没有高的要求用float，空间使用少
2.当你需要更高精度的时候用double，空间使用更多

构造类型:

 //数组类型
struct	//结构体类型	
enum	//枚举类型	 
union	//联合类型	 

以上都是可以自己创造的
以数组类型举例：
int arr[10] = {0};//这个数组的类型是什么呢？
//这个数组的类型是 int [10]

指针类型:

int* pi;	//整型
char* pc;	//字符指针
float* pf;	//单精度浮点型指针
void* pv;	//空指针
...

空类型：

应用解析如下：

2. 整形在内存中的存储

2.1原码、反码、补码

要知道数据在所开辟内存中到底是如何存储的？要知道以下概念！

计算机中的整数有三种表示方法，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”，而数值位负整数的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。

2.2整数存储规则

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

• 正数的原、反、补码都相同。
• 负数进行原、反、补的转换。

对于整形来说：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。

举个例子：如果想要存一个 -2

2.3关于大小端

首先我们来看一下问题？

是因为 VS2019 采用的是小端字节序存储！

那什么是大端小端呢？：

为什么会有大小端？

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 16bi 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何将多个字节安排的问题。

因此就出现了大端存储模式和小端存储模式。

如何判断你的设备是大端字节序还是小端字节序呢？**
这是百度2015年系统工程师笔试题！

难关攻克：开辟一个 int ，在 int 中取最低位字节的数据并判断。但是要在 int 中取最低位字节，就要强行转换成 char* ，因为 char* 是一个字节，刚好容纳。

思路图解：

代码如下：

#include <stdio.h>

//int check_sys()
//{
//	int a = 1;
//	char* p = (char*)&a;
//	if (*p == 1)
//		return 1;
//	else
//		return 0;
//} 

//化简后
// 
//int check_sys()
//{
//	int a = 1;
//	char* p = (char*)&a;
//	/*if (*p == 1)
//		return 1;
//	else
//		return 0;*/
//	return *p;
//}

//再化简后
int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (1 == ret)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

2.4练习

//第一题；
#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
	return 0;

//解析：
//	char a = -1;
//	//10000000000000000000000000000001 原码
//	//11111111111111111111111111111110 反码
//	//11111111111111111111111111111111 补码
//	//11111111 -a char类型是一个字节，下面进行整形提升
//	//11111111111111111111111111111111
//	//11111111111111111111111111111110
//	//10000000000000000000000000000001  -1
//
//	signed char b = -1;
//	//11111111   -b
//	unsigned char c = -1;
//	//11111111   -c 下面进行整形提升
//	//00000000000000000000000011111111
//	//00000000000000000000000011111111
//	//00000000000000000000000011111111
//	//%d - 以有符号整数的形式进行打印
//	//
//	printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
//	//-1 -1 255
}

//第二题：
#include <stdio.h>

int main()
{
char a = -128;
printf("%u\n",a);
return 0;

//解析：
//	char a = -128;
//	//10000000000000000000000010000000
//	//11111111111111111111111101111111
//	//11111111111111111111111110000000
//	//10000000
//	//11111111111111111111111110000000
//
//	//%u 以无符号数的形式，打印整形

//第三题：
#include <stdio.h>

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

//解析：
//unsigned int i;是无符号的
//所以是无限循环的

//第四题
#include <stdio.h>

int main()
{
char a[1000];
int i;
for(i=0; i<1000; i++)
{
a[i] = -1-i;
}
printf("%d",strlen(a));//255
return 0;
}

解析：

3. 浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159
1E10
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 一个例子

浮点数存储的例子：

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;
}

输出的结果是这样，为什么呢？

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。

3.2 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。

但是，对于一些特殊的例子不在考虑范围内，如3.3等。

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。

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）

E全为0或1时的图解：

3.3解释前面的例子

    int n = 9;
	//0 00000000 00000000000000000001001
	//E为全0
	//E直接就是1-127 = -126
	//M = 0.00000000000000000001001
	//0.00000000000000000001001 * 2^-126
	//这是一个非常小的数字，所以打印出来是0.000000
	float* pFloat = (float*)&n;

	printf("n的值为：%d\n", n);//9
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//0.000000

	*pFloat = 9.0;
	//1001.0
	//(-1)^0 * 1.001*2^3
	//S=0
	//E = 3
	//3+127=129
	//M = 1.001
	//01000001000100000000000000000000
	//所以，二进制打印出来是1091567616
	printf("num的值为：%d\n", n);//1091567616
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000

全文结束（尾声）

恭喜你对于数据在内存中的存储有了全面的认识，如果你有不解的困惑，可以评论或者私信留言。

再次感谢你们的阅览观看，你们的支持就是我源源不断的动力!