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[C++知识库]C语言内置数据在内存中的存储

之前介绍过C语言内置的数据类型,这里重点介绍在内存中这些数据类型是如何存储的

目录

1.整形的存储

1.1原码、反码、补码

1.2大小端

2.浮点数

2.1S、M、E的存储细节


1.整形的存储

1.1原码、反码、补码

char、short、int、long 和long long,不管是有符号还是无符号,它们在内存中存储的二进制表示有3种表示形式,即原码、反码和补码

整形在内存中以补码的形式存储,打印的时候以原码的形式打印

非负整数的原码、反码和补码是相同的,负整数的原码符号位不变,其它位按位取反得反码,反码+1得补码

无符号的整形没有符号位

那么为什么整形存储是补码,而打印的时候是原码?

来看一下下面的式子

(-1)+1

假设整形以原码的形式来存储,我们来看一下计算的结果

1:00000000? ?00000000? ?00000000? ?00000001

-1:?10000000? ?00000000? ?00000000? ?00000001

求和

10000000? ?00000000? ?00000000? ?00000010

结果为-2,显然这个答案是错误的

再来看一下补码

1:00000000? ?00000000? ?00000000? ?00000001

-1:? ?11111111? ?11111111? ?11111111? ?11111111

求和

1? ?00000000? ?00000000? ?00000000? ?00000000

取前32bit位,结果为0

而且CPU中只有加法器,原码和补码之间相互转换运算过程是相同的,这样就不需要额外的硬件电路

1.2大小端

现在有一个变量a,占4个字节大小

int a=1;

那么这4个字节在内存中存储的顺序是怎么样的?

?图中所示的三种存储顺序,实际情况是哪一种?

这便涉及到大小端的问题了,首先介绍下什么是大小端

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

简单来说图中1就是大端存储,2是小端存储,图中3所表示的存储方式一般不会采用

2.浮点数

在介绍浮点数前先挖个坑,下面代码的结果是什么

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;
}

如果说你的答案是9? ?9.000000? ?9? ?9.000000的话,那只能算半对

出现这样的结果和浮点数在内存中的存储有关

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:?

s表示符号位,s=0为负数,s=1为正数

M为有效数字1<=M<2

E是指数位

以5.5为例来说明一下

首先还是写出小数点前后的二进制位:101.1(小数点后第一位是2^-1,后面以此类推)

小数点左移,5.5就可以写成(-1)^0*1.011*2^2

存储浮点数时只需存储S、M和E即可

S在内存中占1bit大小,float类型中E占8bit,M占23bit

double类型中E占11bit,M占52bit

2.1S、M、E的存储细节

  • 因为1<=M<2,所以小数点之前的值恒为1,故在存储时省略,这样可以多一位有效数字
  • E的值是无符号的整数,而类似0.5这种的小数E是要小于0的,所以为解决这个问题,在存入内存时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,那么存入的二进制就是10001001

由于E的存储的特殊,在取出时又分三种情况

  • E的二进制全为0

那么E的真实值为-127或-1023,2^(-127)是一个很小的数,所以程序默认为0

  • E的二进制全为1

E的真实值为127或1023,2^127是一个很大的数,所以默认为无穷大

  • E的二进制不全为0

E-127或1023得真实值

现在来把之前的坑填上

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;
}

整数9的二进制位如下:

00000000? ?00000000? ?00000000? ?00001001

第一个以%d形式打印,结果为9

第二个以%f形式打印,S、M、E存储的二进制如下:

?E的二进制全为0,程序默认为0,所以打印0.000000

浮点数9.0二进制如下:

1001.0

转换后:(-1)^0*1.001*2^3

S、M、E中存储的二进制如下:

?以%d的形式打印:二进制01000001000100000000000000000000打印出来将会是一个很大的数字

以%f形式打印:9.000000

所以打印的4个值分别为

9

0.000000

1091567616

9.000000

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