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[C++知识库]C语言 - 深度剖析数据在内存中的存储

1. 整型在内存中的存储:原码,反码,补码。

2. 举例说明整型表示范围的计算方法

3. 大小端字节序介绍及判断

4. 习题

5. 浮点型在内存中的存储解析

1. 整型在内存中的存储: 原码,反码,补码

各类整形的基本介绍:

signed - adj . 有符号的? ?unsigned - adj . 无符号的

其中short = signed short, int = signed int, long = signed long 。

而char是否等于signed char,不确定,取决于编译器的实现。不同环境下可能规定不同。

但是在VS中,char = signed char, 且在大多数环境中,char = signed char 。

(char虽然是字符类型,但是在内存中存储时,存储的是字符的ASCII码值,ASCII码值为整数,所以char型也属于整型)

区分有无符号的原因:比如表示温度时,就是有正负的,表示年龄时,就不可能是负的,也就可以存储为无符号的,即unsigned。且无符号的类型的表示范围的绝对值大致为有符号的表示范围的绝对值的二倍,即扩大了存储范围

整型在内存中的存储

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。比如,char占一个字节,8bit位。int占4个字节,32个比特位。short占2个字节,16个bit位。(大多情况)

整型在内存中都是以二进制形式存储的(事实上浮点数也是以二进制形式存储的)

计算机中的整数有三种表示方法,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,符号位都用0表示“正”,用1表示“负”,而数值位即用来表示这个整数的大小(绝对值)。?

原码:直接将整数按照正负数的形式翻译成二进制即可。 反码:将原码的符号位不变,其他位依次按位取反即反码。 补码:反码加一即补码。

正数的原码,反码,补码相同。只有负数的三种码才需要按上述规定转换

对于整形来说,计算机内存中存储的是整形的补码。(原因略)

举例:

int a = -10;

int型占4字节,32bit位。而-10;是负数,负数有原反补之分

原码:1000000000000000000000001010

反码:11111111111111111111111111110101

补码:1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111? 0110

而上面我们已经知道,整型在内存中存储的是补码,为了验证是否正确,我们需要看内存中a存储的到底是什么,而VS中内存显示只能看16进制,所以我们需要将二进制的补码转化为16进制。4个2进制位转化为一个16进制即 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111? 0110(2进制) -> ff ff ff f6(16进制)

至于为什么4个二进制位转化为1个16进制位:我的理解:一个16进制位表示的最大为15,而4个二进制位最大也是表示15.

?

如图,我们可以看到,确实如此。

2. 举例说明整型表示范围的计算方法

图左边为char 以及 signed char的范围计算方法,第一个bit位为符号位,图中为所有可能的补码形式,10000000上方为正数,正数原反补相同,10000000开始及以下为负数的补码,再转化为原码即可。而10000000直接解析为-128。所以signed char的十进制存储范围为:-128~127

图右边为unsigned char,无符号数 = 正数,而正数的原反补都相同,所以可以直接看出表示范围为0~255(100000000为256)

补充:图中左下方为:补码转化为原码并非要-1然后取反,也可以+1取反,也会变成原码。?

?图二与上方类似,即short范围的计算方法

3. 大小端字节序介绍及判断

大端存储模式:数据的高字节处数据存放在内存的低地址处,数据的低字节处数据存放在内存的高地址处。

小端存储模式:数据的低字节处数据存放在内存的低地址处,数据的高字节处数据存放在内存的高地址处。

如图a中存储的是16进制数字12345678,78为低字节处的数据,12为高字节处的数据,而右边内存中从左至右,地址是从低到高的,所以78低字节处的数据存放在了低地址处,所以当前存储模式为小端存储模式。?如果是大端存储模式,显示的就应该是12345678。

(补充:在图中红框右边为xV4. 这个即16进制78 56 34 12转化为10进制之后ASCII码值所表示的字符,意义不是很大(目前来说))

写一个程序用于判断当前存储模式为小端还是大端。

?

?

?以上程序结果显示都是小端,表示判断方法无误

5. 习题

1.

?

如图,常量-1为int类型

原码:10000000000000000000000000000001

反码:1111111111111111111111111111111111110

补码:1111111111111111111111111111111111111

内存中存储的是补码,而int型的-1占32bit位,而char只占8bit位,所以要发生截断,末尾的11111111存入char a中。

a中存储的是11111111下面打印时用%d打印的,%d为有符号的十进制整数形式,而a为char型,所以要进行整型提升。

整型提升规则:有符号高位补符号位,无符号的高位补0

所以提升之后为?1111111111111111111111111111111111111? 而%d是打印有符号的,而这段二进制序列最高位为1,表示负,而负数原反补不相同,所以要进行转化。原码为100000000...0001即-1

所以打印出来是-1。

而signed char b与char a是相同的,所以也是-1?

最后来看unsigned char c:-1的补码仍然要发生截断,存入c中为11111111? 打印时仍然为%d 所以要进行整型提升,根据规则,无符号的整型提升时高位补0,即00000000000000000000000011111111 按照%d打印时,为有符号的十进制整数,符号位为0,即正数,正数的原反补相同,原码00000000000000000000000011111111即255 所以打印出来是255

progress:-1的补码 -> 截断存入 -> 打印时整型提升 -> 根据提升之后的补码找出原码 -> 打印

2.

?和第一题一样。

-128原码:10000000000000000000000010000000

-128反码:11111111111111111111111101111111

-128补码:11111111111111111111111110000000

截断:10000000

整型提升:11111111111111111111111110000000

%u - 无符号的十进制整数:所以提升之后全部都是数值位

总结:整型提升看它本身是什么类型:无符号还是有符号,打印的时候是要看打印的形式,而不是只有补码决定。

3.

#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = 128;
	//00000000000000000000000010000000
	//截断
	//10000000 - a
	//按照%u打印,对a进行整型提升
	//11111111111111111111111110000000
	//4,294,967,168
	printf("%u\n", a);//
	return 0;
}

int型128原反补相同 -> 截断 -> 因为%u -> 所以整型提升(有符号的char,高位补符号位) ->? %u为无符号,所以全是数值位 -> 转化为十进制即4294967168。

4.

?

直接用补码进行相加,因为打印的是%d,而补码的高位又是1,所以为负数,负数原反补不同,所以要找出原码,转化为十进制即-10??

5.

unsigned int 一定>=0 所以程序一定死循环,下面说打印的内容:

9876543210存入i中都没问题(正数原返补相同),当i=-1时。-1的补码为全1,打印出来即2^32-1。?11111111111111111111111111111111

?

?i=-2时 -2的原反补:10000000000000000000000010 111111111111111111111111111111101 1111111111111111111111111110? 也就是-1的补码减一。后面数字一直减小,到9876...3210又会进入新的循环。

6.

其实这个和上面的题本质上没什么区别,最开始char数字中存入-1,然后存入-2,要知道-1的补码为全1,截取8bit位,为11111111,后面减一,变成11111110,11111101...如下图所示,就是从右上表格的下边往上变化,也就是那个圈的顶逆时针旋转,当这8bit位一直减小,到00000000 即0时也就是'\0'? 标志着这个数组到此为止,即前面共255个字符

?

?5. 浮点型在内存中的存储解析

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。(如果是十进制数字则为*10^x次,这里是2进制,所以底数为2)

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。?

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。

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)

(复制的)

验证:

?一个题

int main()
{
	int n = 9;

	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;
	printf("num的值为:%d\n", n);//1,091,567,616
	printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);//9.0

	return 0;
}

?

?int型9转化为补码,在第一次*pFloat访问时,是以浮点数的角度访问并解析的,所以也就是从二进制提取出浮点数的模式,变为SEM的形式之后,算出SEM分别是多少,也就求出了这个小数。

*pFloat = 9.0 即把9.0这个小数存入到对应空间中,9.0要转化为二进制的形式,使用的就是IEE754的规定,转化为二进制之后,即内存中存储的就是这样一个二进制序列,下面的第一个printf打印时,是以%d,即有符号的十进制整数打印的,转化为十进制之后就是1091567616,而以9.0转化的二进制序列存入,下面又以%f形式打印,所以也就出现了9.000000

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