C语言%u%d打印的规则数据在内存中的存储及大小端存储模式

Posted 2021-05-28 aaaaaaaWoLan

文章目录

• • 数据在内存中的存储
  • • 整形存储
    • 无符号整型、无符号整型的打印
    • char类型的打印
    • 浮点型存储
  • 大小端模式
  • • 判断机器大小端方法

数据在内存中的存储

整形存储

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。
像 int a = 20;
int b = -10;
这样的整形数据在内存中是如何存储的呢？
我们先来了解以下的概念：
原码、反码、补码
计算机中的有符号数有三种表示方法，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，符号位都是最高位用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位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。

而正数的原码反码补码都是相同的
对于整形来说，数据在内存中存放的是补码。
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。
如int a = 10；
原码为：00000000000000000000000000001010
因为它是正数，所以最高位为0表示正数，且原反补相同。
而像int b = -10；
原码为：10000000000000000000000000001010
最高位为1，表示负数
反码为：11111111111111111111111111110101
补码为：11111111111111111111111111110110
所以b在内存中的存放内容是11111111111111111111111111110110

无符号整型、无符号整型的打印

而像无符号整型，就没有符号位之分，所有的二进制位都为数值位。
如果把上述int b = -10改为unsigned int b = -10；
则-10的补码为11111111111111111111111111110110，又因为b是个无符号整型，所以b的值实际上是一个很大的值，而要想打印出来，必须用%u的形式打印，打印结果如下图。

如果我们用%d的形式来打印b会是什么结果呢？

我们看到，结果和a的一样，这是因为b在内存中实际上还是按照11111111111111111111111111110110来存储，用%d打印的话，打印的还是一个有符号的整形，所以会以原码的形式打印出来。
那要是a用%u的形式打印，又是什么结果呢？
看下图

这里我们看到结果和b的一样，又是为什么呢？
因为a的补码是11111111111111111111111111110110，而按照%u的形式打印，就不存在符号位之分，所有位都为数值位，故打印的结果和b的值相同。

char类型的打印

我们知道整型分为有符号和无符号两种，有符号的char类型大小范围是-128-127，无符号char的大小范围是0-255。
我们可能会好奇，-128怎么表示呢？
因为有符号的char最高位为符号位，而要表示128又是2^7，大小为1个字节（8个bit位）的char不够用啊，于是，c语言就规定了char类型中10000000的值为-128。
我们在打印char的时候，如果用%d，%u的形式打印，它们都表示有符号或无符号的32个bit位的整型，那char类型打印出的结果是怎么样的呢？
这里我们以char a = 128和char b = -128为例，因为这两个数字在char中存储的情况很特殊。
我们来看结果：

可以看到，a和b用%d的形式打印的结果相同，%u的形式也相同，这是因为128本身的补码就为10000000（char类型中），而规定10000000的值是-128，所以这里a的值实际上是-128。用%d的形式打印出来，结果就为-128.
而使用%u打印，却是这么一个庞大的数字，是因为10000000进行了整型提升，变成了11111111111111111111111110000000，而用%u的形式打印，就把它看作了一个无符号数，故打印结果为上图所示，我们可以用计算器来进行验证：

其实在用%d打印的时候，也进行了整型提升，只不过是个有符号的整型，所以要转换成原码进行打印，如下：
补码：11111111111111111111111110000000
反码：11111111111111111111111101111111
原码：10000000000000000000000010000000
这时转化为十进制数值就为-128了。

下面我们来看几道题：
1.

 char a= -1;

    signed char b=-1;

    unsigned char c=-1;

    printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);

结果是：-1 -1 255
a和b都是有符号的整型，按照%d打印的也是有符号的数
c是无符号的整型
c的原码为：10000001
反码为：11111110
补码为：11111111
故c的值为255
注意这里c已经是无符号的整型了，如果用%u打印的话，打印结果还是255，因为无符号整型的整型提升是高位补0，而有符号整型补的是符号位。
对于%d，%u的打印，则是先根据数据本身进行整型提升，再按照有符号或者无符号的方式打印。

int i= -20;

unsigned  int  j = 10;

printf("%d\\n", i+j); 

//按照补码的形式进行运算，最后打印格式为有符号整数
结果是－10
-20的原码为：1000000000000000000000000010100
反码为：11111111111111111111111111101011
补码为：11111111111111111111111111101100
10的补码为：00000000000000000000000000001010
补码相加，得：
11111111111111111111111111110110
反码为：11111111111111111111111111110101
原码为：10000000000000000000000000001010
转换为十进制数为－10
3.

unsigned int i;

for(i = 9; i >= 0; i--) 
{

    printf("%u\\n",i);

}

代码进入死循环
当i = 0时，i再自减一等于-1，而i为无符号整形，故此时a的值实际上是255（读者可自行计算），a永远大于等于0，故循环永远不会结束。
4.

int main()

{

    char a[1000];

    int i;

    for(i=0; i<1000; i++)

   {

        a[i] = -1-i;

   }

    printf("%d",strlen(a));

    return 0; 
}

结果为255
a[1000]中存的数字为-1，-2…,-127,-128，127，126…1，0，-1…
当-1减128时，得到-129
-129的原码是：110000001（9个二进制位，为了方便才这样写）
反码是：101111110（9个二进制位）
补码是：101111111（9个二进制位）
而存在char类型数据中会发生截断，变为11111111
经过转化，原码为00000001，即为十进制数127
故当1-1 = 0时，数组中存入\\0，strlen读取终止
结果为255

#include <stdio.h>

unsigned char i = 0;

int main()

{

    for(i = 0;i<=255;i++)

   {

        printf("hello world\\n");

   }

    return 0; 
}

代码进入死循环
当i等于255时，i再自加1得256，而i为无符号字符整形，永远小于等于255，此时i的值位0，故循环永远不会结束。

浮点型存储

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。
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。

如下图所示

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。图解与float类型相似，只不过数据大小变了，这里就不再画图了。

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的有23位，而这23位都可以用来保存有效数字。

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（称为规格化数）
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，由于规定整数部分必须为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（称为特殊数）
时，浮点数的指数E等于-127（或者-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（称为非规格化数）
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）。

关于浮点型存储的详细信息大家可以自行搜索。

我们来看一道例题

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; 
}
输出的结果是什么呢？

如图

n用%d的形式打印结果为9毋庸置疑，而为什么第二个结果为0.000000呢
当我们用%f的形式打印时，是以浮点型数据的视角来看待这个数的，而*pFloat在内存中的存储是：00000000000000000000000000001001
但用浮点型存储方式来看的话，指数部分都为0，即该数值无限趋近于0，而打印结果又只显示后六位，导致最后的1001根本无法出现在结果中，故最后结果为0.000000
当通过指针把n的值修改为9.0时，以%d的形式打印出来，结果又为如此巨大的一个数字。又是为什么呢？
当我们以%d的形式打印时，是以一个有符号的整型视角来看待这个数的存储的。
n用二进制科学计数法表示:-1^(0) *1.001 *2 ^3
故s位为0，E位为3+127=130，即二进制位10000010，小数位为00100000000000000000000
所以n的存储方式为：0 10000010 00100000000000000000000
而用整形来打印的话，无疑是一个非常大的数字。
这里我们再用计算机验证，发现与打印结果一模一样。

至于最后用%f的形式打印，结果肯定就为9.000000了。

注：以上打印结果均建立在编译器为小端存储模式的基础上
而接下来就要讲关于大小端存储模式的内容了

看了这么多关于数据类型的打印，希望大家能够分清楚不同数据用不同打印方式的结果，同时，也希望大家正确使用打印格式，不要太钻牛角尖而带来不必要的麻烦。

大小端模式

大端模式是指将数据的高字节存放在内存低地址中，将数据的低字节存放在内存高地址中
如int a = 0x11223344

一个十六进制为相当于四个二进制位，八个十六进制为即为三十二个二进制位。下图中都是用十六进制来表示数据大小

在内存中存放顺序为11 22 33 44（由于作者的编译器为小端存储模式，所以这里就没有用图示来说明，而只能用画图的形式说明）

记忆方法: 地址的增长顺序与值的增长顺序相反

小端模式是指将数据的高字节存放在内存高地址中，将数据的低字节存放在内存低地址中
例：int a = 0x11223344（十六进制数字）

这是在内存中的存储顺序：

记忆方法: 地址的增长顺序与值的增长顺序相同

为什么有大端和小端：
为什么会有大小端模式之分呢？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8bit。但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit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果将多个字节安排的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。
例如一个 16bit 的 short 型 x ，在内存中的地址为 0x0010 ， x 的值为 0x1122 ，那么 0x11 为高字节， 0x22为低字节。对于大端模式，就将 0x11 放在低地址中，即 0x0010 中， 0x22 放在高地址中，即 0x0011 中。小端模式，刚好相反。我们常用的 X86 结构是小端模式，而 KEIL C51 则为大端模式。很多的ARM，DSP都为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式。

判断机器大小端方法

int main()
{
	int a = 1;
	short* p = (short*)&a;
	if (*p)
	{
		printf("小端\\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\\n");
	}
	return 0;
}

运行截图

代码原理：定义a为int型，大小为4个字节，作者使用的编译器为小端存储模式，故在内存中存放的方式如下图

而short类型的大小为2个字节，故short指针进行访问时，指针本质上还是个地址，从a的起始地址开始访问，只能访问两个字节的大小即p=1（十六进制位为01 00），如果p等于1，则说明存储方式为小端。而如果为大端，则*p=0（十六进制位为00 00）。

记得三连！！！