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[C++知识库]数据的存储(C语言)


一、数据类型介绍

????该数据类型的所占空间的字节数是在32位平台上所得测试的。由于存储位不同,他们能表示的数值的范围就不同,也就是能准确表示的数的位数就不同。

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

二、类型的基本归类

1.整型家族

char 
        unsigned char
        signed char
 
short
        unsigned short [int]
        signed short [int]
 
int
        unsigned int
        signed int
 
long
        unsigned long [int]
        signed long [int]

2.浮点数家族

float
double

3.构造类型

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

4.指针类型

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

5.空类型

void 表示空类型(无类型)
通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型

三、整型在内存中的存储

????我们之前讲过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。

例如:

int a = 10 ;
int b = -20 ;

????在此之前我们就介绍到int整型是占用4个字节的空间,那是如何存储的呢?首先我们就要了解原码、反码、补码的基本知识。

1.原码、反码、补码

????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,有符号整数最高权重位即符号位。符号位都是用0表示“正”,用1表示“负”,正整数的三种表示方式都一样,即原码、反码、补码都相同;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。
例????:正数 int a = 2 表示的二进制数:
00000000000000000000000000000010
???????????负数 int b = -2 表示的二进制数:
10000000000000000000000000000010

反码

将原码的符号位不变,其他位依次按位取反即可
例:负数 int b = -2 反码:
11111111111111111111111111111101

补码

经过反码加1
例:负数int b = -2补码:
11111111111111111111111111111110

????经过调试,我们发现b=-2的存储形式如下图所示,本图所演示用的编译器存储数据形式为小端(后面会提到)。每四个二进制位为一个十六进制位,即二进制1111转化为十六进制为一个f,二进制为1110转化为十六进制为一个e,证明了数据在内存中的存储是以补码的形式存储的。

用补码存储的根本原因是什么呢?

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。补码之间的相加转换为原码再转化为十进制则是计算的结果。

????特别说明: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。

2.大小端介绍

????什么是大小端?(十分重要、常考)

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?

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位。但是在C语言中除了8位的char之外,还有16位的short型,32位的long型,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。因此就导致了出现了大端存储模式和小端存储模式。

3.整型提升

????即C的整形算术运算总是至少以缺少类型的精度来进行的,为了获得这个精度,表达式中的字符型和短整型操作数在使用之前被转换
为普通类型,这种转换称为整形提升。整型提升要根据需要整型提升的二进制数最高位进行增加。
????举个例题:输出结果是多少?

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

????最终程序运行后发现,结果并不是-128,原因是为什么呢?

????原因是-128是一个整型,即为32个1组成。而char型是占一个字节空间的大小,将-128的二进制放入char型中,要发生截断,即char型只能存入8位的空间,即存入的是由右往左数的8个1。但是在打印时需要以无符号整型的数据打印(%u为无符号整型的打印形式),需要进行整型提升。即需要从8个1提升到32个1,由于输出的类型为无符号型,打印的结果默认为正数,无符号位,符号位转换位有效位进行计算。(经过计算机计算,32个1转为十六进制结果与打印结果相同)
在这里插入图片描述

三、浮点型在内存中的存储

1.常见浮点数

????常见浮点数例子:

3.14159
1E10 (1*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:float.h中定义(可从everthing应用中查找,需上官网下载)

????理解浮点数的经典例子:

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; }

????思考一下输出的结果为何如下?
在这里插入图片描述

2.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。

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。

????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(即双精度),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。

3.E的两种特殊取值

????E全为0:

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:

如果有效数字M全为0,表示±无穷大(正负取决于符号位s)

????现在来解释一下上面那道例题:主要是第二与第三个输出的结果有点出乎意料。第二个输出的结果分析:我们可以将 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 0000 1001。因为E为全0,属于上面第二种的特殊情况。浮点数V写成V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)= 1.001×2^(-146),非常接近于0,所以用十进制小数表示就是0.000000。

????第三个输出结果分析:先把十进制9转换为二进制,即1001.0,转换为1.001*2^3,s则为0,E为3+127=130,M为001在其后再补20个0,即0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000,改二进制转换为十进制正是 1091567616。


????对于整型与浮点型在内存中的存储到这里应该有了一个大概的了解,浮点型的存储方式相较来说比较复杂,需要细心思考与学习。如果有兴趣还可以深入研究。如果此篇文章对你颇有收获,麻烦点个赞支持下,感谢!

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加:2021-08-31 15:16:03  更:2021-08-31 15:18:43 
 
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