C语言从青铜到王者第五篇·数据在内存中的存储

Posted 2022-11-05 ·潇

本篇前言
从本篇开始，我们要开始逐渐和内存打交道了。想学好C语言，打牢编程基本功，我们心中一定要时刻有内存的概念。

文章目录

• 数据类型及其意义
• • • 整型与浮点型
    • 构造（自定义）类型
    • 空类型
    • 指针类型
    • 数据类型的意义
• 整型数据在内存中的存储
• • • 整型家族
    • 整型数据在内存中的存储
    • 大小端字节序
    • 实例操练
• 浮点型数据在内存中的存储
• • • 浮点型家族
    • 引例
    • 浮点型数据是怎么放入内存的
    • 浮点型数据是怎么从内存中拿出来的

数据类型及其意义

整型与浮点型

char

short

int

long

long long

float

double

构造（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

空类型

void

void test (void) 函数返回类型 函数参数

void* p 指针

指针类型

以上所有类型 *

数据类型的意义

数据类型的意义有两个：

1.决定为变量开辟内存空间的大小

2.决定看代内存中0/1序列的视角

这两句话到底是什么意思，相信看完本文你就清楚了

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整型数据在内存中的存储

整型家族

char

​ unsigned char signed char

short

​ unsigned short signed short

int

​ unsigned int signed int

long

​ unsigned long signed long

为什么char类型是整型家族呢？

因为字符型数据是按照ASCII码值存储在内存中的，而ASCII码值也是整数，所以char类型也是整型家族的一员

整型数据在内存中的存储

任何数据在内存中都是以二进制序列存储。整数的二进制序列有三种形式，分别是原码、反码、补码

整数在内存中是以补码的形式存储的，比如看下面的a：

#include<stdio.h>
int main()

	int a = -10;
	return 0;

为什么-10在内存中存储为f6 ff ff ff的形式呢？

• 详解：
  -10的原码：
  10000000 00000000 00000000 00001010
  -10的反码：
  11111111 11111111 11111111 11110101
  -10的补码：
  11111111 11111111 11111111 11110110
  换算成16进制：
  ff ff ff f6

为什么内存中存补码而不存原码？

比如我们想计算 1 - 1这个算数

由于计算器底层没有减法器，我们需要用加法器代替减法器

1 - 1 → 1 + （-1）

用原码：

1 ：00000000 00000000 00000000 00000001

-1 ：10000000 00000000 00000000 00000001

相加：10000000 00000000 00000000 00000010

结果是 -2 ，不符合结果

用补码：

1 ： 00000000 00000000 00000000 00000001

-1 ：11111111 11111111 11111111 11111111

相加：1 00000000 00000000 00000000 00000000

由于只有32位，首位丢弃：

结果：00000000 00000000 00000000 00000000

结果为0，符合结果

出现这一现象的本质原因是

1.补码可以将二进制数据的符号位和数值位统一处理，可以将加法和减法统一处理

2.补码和原码的相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的电路（原码→取反+1→补码 、补码→取反+1→原码）

这也是为什么密码学家发明补码的一个原因

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大小端字节序

刚刚-10的例子的结果同学们一定有疑问：

-10的16进制补码：ff ff ff f6

而编译器中内存值：

为什么顺序正好反过来了呢？

这就涉及到了大小端字节序的问题

我们把一个内存单元看成一个整体，1字节8bit位，8位二进制即二位16进制，所以两个16进制的数字就表示一字节的大小，也就是一个内存单元的大小。而将这些单元编号（也就是标上地址）的顺序是可以不同的：

大端字节序：高位数字放在高地址（符合我们的阅读习惯）

小端字节序：高位数字反而放在低地址（我的编译器的内存中存储类型）

为什么有大小端？

内存中，每个地址单元都对应一个内存单元，大小为1字节8bit。如果存储的类型都是8bit大小，也就不需要对内存单元进行排序，但是C语言中还有16bit的short类型，32bit的int类型等等超过一个内存单元大小的数据类型，现在流行的32位64位处理器的寄存器宽度也大于一个字节，所以我们不得不面临将多字节安排的问题

我写的判断自己编译器大小端的代码：

#include<stdio.h>
int main()

	int a =1;
	char* p = &a;
	if (*p)
		printf("小端");
	else
		printf("大端");
	return 0;

实例操练

题一：请手算下面的程序的输出结果

#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;

• 详解：
  -1的补码：
  11111111 11111111 11111111 11111111
  由于a、b、c三个变量都是一字节
  截断：
  11111111
  则a、b、c变量位置内存值为：
  11111111
  a、b为有符号char，所以最高位为符号位（char是有符号还是无符号，是由编译器决定的，但是大部分编译器是有符号）
  1 1111111
  由于是以%d打印，需要进行整型提升
  a、b整型提升后补码：
  11111111 11111111 11111111 11111111
  打印出原码的十进制：
  -1
  c为无符号char，所以所有位都是数值位
  c 整型提升后补码：
  00000000 00000000 00000000 11111111
  原码：
  00000000 00000000 00000000 11111111
  十进制：
  255

题二：请手动计算下面的程序的输出结果

#include<stdio.h>
int main()

	char a = -128;
	printf("%u", a);
	return 0;

• 详解：
  -128的二进制原码：
  10000000 00000000 00000000 10000000
  反码：
  11111111 11111111 11111111 01111111
  补码：
  11111111 11111111 11111111 10000000
  放入char中发生截断：
  10000000
  由于%u打印，所以整型提升，且无符号位
  11111111 11111111 11111111 10000000
  由于无符号数的原反补码相同
  

总结：

1.数值是以补码在内存中操作（截断、整型提升）的

2.printf中的%d等类型决定的是最后看待内存中补码的角度和是否需要整型提升

题三：请手动计算下面的程序的输出结果

#include<stdio.h>
int main()

	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\\n", i + j);
	return 0;

• 详解：
  -20的二进制序列
  10000000 00000000 00000000 00010100
  反码
  11111111 11111111 11111111 11101011
  补码
  11111111 11111111 11111111 11101100
  10的二进制序列
  原反补码
  00000000 00000000 00000000 00001010
  i + j 补码相加
  11111111 11111111 11111111 11110110
  反码
  11111111 11111111 11111111 11110101
  原码
  10000000 00000000 00000000 00001010
  %d为有符号整型，结果为
  -10

题四：请手动计算下面的程序的输出结果

#include<stdio.h>
int main()

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

感性的定性判断一下：i是无符号数，无符号数一定大于等于0，所以代码会死循环

• 详解：
  9的二进制序列
  00000000 00000000 00000000 00001001
  以u%看待，就是9
  同理程序依次打印出87654321
  i = 0时，打印出0
  00000000 00000000 00000000 00000000
  然后i--：
  11111111 11111111 11111111 11111111
  由于是无符号数，所以原反补码相同
  它的十进制为：
  2³²-1
  所以这整个循环就是：
  2³²-2→2³²-3→…→1→0→2³²-1→2³²-2→…(死循环)

题五：请手动计算下面的程序的输出结果

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()

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

• 详解：
  -1的二进制序列补码
  11111111 11111111 11111111 11111111
  放入a[0]截断
  11111111
  原码：
  10000001
  a[0]是-1
  -2的二进制补码
  11111111 11111111 11111111 11111110
  截断后原码
  10000010
  a[1]是-2
  一直到-127
  原码
  10000000 00000000 00000000 01111111
  反码
  11111111 11111111 11111111 10000000
  补码
  11111111 11111111 11111111 10000001
  截断后
  10000001
  原码
  11111111
  a[126]是-127
  -128
  原码
  10000000 00000000 00000000 10000000
  补码
  11111111 11111111 11111111 10000000
  截断
  10000000
  原码的值为-128（特殊序列）
  -129
  原码
  10000000 00000000 00000000 10000001
  补码
  11111111 11111111 11111111 01111111
  截断
  01111111
  原码的值为127
  循环为
  -1 → -128 → 127 → 0
  当a为0时候，就是strlen的结束标志
  所以前面有128+127一共255个元素

char类型存储的数据范围

内存中补码：00000000 → 11111111

正数：00000000 → 01111111 即 0 → 127

负数：11111111 → 1000001 即原码 10000001 → 11111111 即 -1 → -127

特殊补码序列 10000000 由于数值位无法再减去1 所以直接规定 10000000 的原码值为 -128

因为-128本身的原码：
10000000 00000000 00000000 10000000
反码：
11111111 11111111 11111111 01111111
补码：
11111111 11111111 11111111 10000000
装入char类型中发生截断：
10000000
也就是特殊序列10000000
所以char的取值范围是 -128 → 127

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浮点型数据在内存中的存储

浮点型家族

float

double

常见的浮点数：

3.1415926

1E10 （1×10^10）

引例

#include<stdio.h>
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("n的值为：%d\\n", n);
	printf("pFloat的值为：%f\\n", *pFloat);
	return 0;

为什么会出现的这样的结果呢？
第一个n的值我们很熟悉，存进去正整数9，打印出正整数9
但二、三、四的结果就很让人匪夷所思了
下面就来解析为什么会出现这样的结果

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浮点型数据是怎么放入内存的

浮点数在内存中的存储是由IEEE（电气电子工程协会）的754标准规定的：

任意一个浮点数可以表示成

(-1)^s * M * 2^E

(-1)^s 表示符号位 s=1就是负数 s=0就是正数

M表示有效数字 1 <= M < 2

E表示指数位

下面详细说一下这是啥意思。
首先我们要学会将小数转换成二进制数。
我们以前都学过科学计数法，这种计算小数的方法其实就是用2作为底数的科学计数法
举例说明怎么转换：
现有浮点数 十进制表示法为 5.5
5的二进制：101（整数除以2，结果的余数作为每一次的结果，除数再除以2，直到除数为0）
0.5的二进制：0.1（小数乘以2，结果的整数位作为每一次的结果，小数再乘以2，直到小数为0）

所以5.5的二进制表示就是101.1

科学计数法就是 1.011×2^2

则5.5表示成 (-1)^s * M * 2^E 就是

(-1)^0 * 1.011 * 2^2

s=0

M=1.011

E=2

拿到了这三个参数后，我们看看它们是怎么存入内存的

754规定：

对于float类型，一共分配4字节32bit内存

第1位为s位，第2-9位 8bit 为 E，第10-32位 23bit 为M

对于double类型，一共分配8字节64bit内存

第1位为s位，第2-12位 11bit 为 E，第13-64位 52bit 为M

S的值：正数放0 负数放1 与整数的符号位意义相同

M的值：由于M一定是1.xxxxxx的形式，所以1可以不存，只存后面的数字（为了增加存储的有效数字量，增加精度），后面的数字直接顺序排列在M的位置上

E的值：由于E是整数，可正可负 8bit的范围是0-255，11bit的范围是0-2047，所以E的值必须在原来整数的基础上加上127和1023，这样E表示的范围就是-127 → 128和-1023 → 1024

综上，可以知道float和double表示的数字范围

紧接上文，5.5的三个参数为
s=0
M=1.011
E=2
拿到了这三个参数后，经过处理：
s=0,E=2+127=129=10000001,M=011
所以总序列为
0 10000001 01100000000000000000000
再把二进制换成16进制
0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000
40 b0 00 00
再按照小端字节序排序
00 00 b0 40
来见证奇迹吧：

实验证明浮点型数据确实是这样存储的

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浮点型数据是怎么从内存中拿出来的

我们已经知道了浮点型数据是怎么放入内存中，现在来探讨浮点型数据是怎么拿出来的

浮点数的取出，其实就是存入的反操作，但是有以下不同的情况

情况一：E全为0

指数E的真实值为-127或-1023，此时的浮点数无限接近于0，此时M的值还原时不再+1，表示为很小的数字，显示出来就是0

情况二：E全为1

表示±无穷大

情况三：E不全为0且不全为1

E-127得到E的真实值 M+1得到M的真实值 最后得到真实的浮点数

现在终于可以把引例重新拿过来看看：

#include<stdio.h>
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("n的值为：%d\\n", n);
	printf("pFloat的值为：%f\\n", *pFloat);
	return 0;

9的二进制位：
0000000 0000000 0000000 00001001
按浮点型存储划分
0 00000000 00000000000000001001
可见E为全0，符合情况一，所以打印出来是0.000000（后面的位数显示不出来）
而9.0的二进制位：
1.001×2^3 s=0 E=130 M=001
0 10000010 00100000000000000000000
再以有符号整型的十进制读出

这样第三个结果也就出来了

至此，上面程序结果的解析也就全部完成，浮点数在内存中的存储也讲解完毕

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回顾一下，本文重点讲解了整型和浮点型数据在内存中的存储形式。现在我们知道这些数据是如何被存放在内存中的了。从本文可以看出，计算机和人脑的思维方式差别还是很大的，当“人脑”用“电脑”的方式思考问题是不是多少有点“烧脑”呢？