计算机是如何储存人类所认知的数据呢？C语言数据的储存

Posted 2021-09-05 未见花闻

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机是如何储存人类所认知的数据呢？C语言数据的储存相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

⭐️前面的话⭐️

博主在揭开C语言神秘的面纱，简单的C语言程序已经简单的介绍了了C语言中一些简单的数据类型。在本篇文章中我们继续深入C语言中的结构类型，了解整型数据，浮点型数据在内存中究竟是怎样储存的。

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1. 回顾C语言数据类型

在C语言中基本常见的数据类型有：
char short int long long long float double等等。
现在我们来将C语言中数据类型系统地分一分类。大致可以分为以下几类：整型 浮点 自定义构造 指针 空。

1.1整型数据类型

🍒字符型char
signed char
unsigned char
🍒短整型short
signed short
unsigned short
🍒整型int
signed short
unsigned int
🍒长整形long
signed long [int]
unsigned long [int]

对于未标明是否带符号的数据类型，比如就单说int char short long …，一般情况下默认为有符号型，这个具体得看编译器，大部分编译器是默认为有符号型，所以本文所有未说明是否带符号的类型通通默认为带符号类型。

1.2浮点型数据类型

🍒单精度浮点型：float
🍒双精度浮点型：double

1.3自定义构造型数据类型

🍒数组：array[ ]
🍒结构体：struct
🍒联合：union
🍒枚举：enum

1.4指针型数据类型

🍒整型指针：int*
🍒字符指针：char*
🍒短整型指针：short*
🍒长整型指针：long*
🍒单精度浮点指针：float*
🍒双精度浮点指针：double*
🍒结构体指针：struct*
🍒万能指针：void*

1.5空型数据类型

🍒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。

2. 整形在内存中的存储

我们已经知道整型int在内存中占四个字节，但它究竟是怎样储存的呢？我们一探究竟。

2.1原码，反码，补码的概念

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，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位负整数的三种表示方法各不相同。

🍓原码。就是二进制定点表示法，原码表示法在数值前面增加了一位符号位，正数该位为0，负数该位为1，其余位表示数值的大小，即最高位为符号位，0表示正，1表示负，其余位表示数值的大小。

🍓反码。是数值存储的一种，多应用于系统环境设置。将原码除符号位外其他位取反就能得到反码。

🍓补码。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。将反码加上1就是补码。

正整数的原码，反码，补码都相同。负数三者均不同，三者转换关系为原码除符号位取反得反码，反码加上1就是补码。
对整型数据来说内存中存放的是补码。

2.2 大小端字节序介绍及判断

🍉大端模式，是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中，这样的存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理:地址由小向大增加，而数据从高位往低位放;这和我们的阅读习惯一致。

🍉小端模式，是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中，这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低。

比如数字16，将内存中的二进制码转换成16进制就是00 00 00 10，假设有四个地址0x009FFA60 0x009FFA61 0x009FFA62 0x009FFA63。
如果是大端字节序进行储存，则储存顺序如下：

内存地址	存储内容
0x009FFA60	00
0x009FFA61	00
0x009FFA62	00
0x009FFA63	10

如果是小端字节序进行储存，则储存顺序如下：

内存地址	存储内容
0x009FFA60	10
0x009FFA61	00
0x009FFA62	00
0x009FFA63	00

🍉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。
🍉总结：整型数据大端模式储存，高位在低地址，低位在高地址。小端模式储存则相反，高位在高地址，低位在低地址。
🍉笔试题：
请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。

//判断是大端还是小端储存
#include <stdio.h>
int check()
{
	int i = 1;
	//1的十六进序列为 00 00 00 01
	//使用char*的方式访问&i的空间，如果是1，说明低位存储在低地址，为小端。
	//如果是0，说明高位存储在低地址，为大端。
	return *((char*)&i);
}
int main()
{
	int ret = check();

	if (ret)
		printf("小端!\\n");
	else
		printf("大端!\\n");
	return 0;
}

2.3小试牛刀

🌽小试牛刀1：下面程序会输出什么？

#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; 
}

🔑：a为char型-1默认为有符号型，它的二进制原码为1000 0001 ，内存中储存的为补码所以先要转成补码，除最高位取反得反码1111 1110，加1的补码1111 1111。在输出的时候以%d形式输出，过程中会发生整型提升（对于不了解整型提升的小伙伴可以阅读博主的一篇文章C语言中奇妙又有趣的符号——运算符(操作符）！C语言运算（操作）符最全集合（建议收藏）最后3.1.2部分，那里有说明整型提升），a的补码会先整型提升为1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111，它的原码为1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001为数字-1。b为有符号型char型-1，所以结果与a一致，为-1。c为无符号char型，值为-1，内存中存为补码，无符号型整数类原码，反码，补码相同，-1补码为1111 1111，同理以%d形式输出需先进行整型提升，无符号型整型提升统一补0，所以c整型提升后补码为0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111，因为原反补码相同，所以原码也是补码，所以输出c的值为255。
💡运行结果：

a=-1,b=-1,c=255
D:\\gtee\\C-learning-code-and-project\\test_810\\Debug\\test_810.exe (进程 30452)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

🌽小试牛刀2：下面程序会输出什么？

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

🔑:a为有符号char型，值为-128,它比较特殊，在计算机内的补码为1000 0000，当以%u形式打印时会发生整型提升，补码会变为1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000，因为是以无符号型整数输出，无符号整型原反补码相同，通过计算器可以得出输出的值为4294967168。
💡运行结果：

4294967168

D:\\gtee\\C-learning-code-and-project\\test_810\\Debug\\test_810.exe (进程 38812)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

🌽小试牛刀3：下面程序会输出什么？

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

🔑:有符号char型的范围为-128 到127，a为有符号char型，赋值128明显超出数据范围了,整数128的二进制序列为0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000将此值赋值给a时会发生截断，所以储存在a中的补码为1000 0000，这样的话就和小试牛刀2那题一模一样了，所以结果会输出4294967168。
💡运行结果：

4294967168

D:\\gtee\\C-learning-code-and-project\\test_810\\Debug\\test_810.exe (进程 37444)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

🌽小试牛刀4：下面程序会输出什么？

#include <stdio.h>
int main()
{
	int i= -20;
	unsigned  int  j = 10;
	printf("%d\\n", i+j); 
	return 0;
}
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数

🔑:i为有符号整型，值为-20，二进制原码为1000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0100除符号位取反加一得补码1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 1100
j为无符号型整数，值为10，原码补码相同，补码为0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010，将俩个补码相加得i+j的补码1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110，以%d形式输出，由于符号位为1所以需计算原码，减一取反后得1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010，为数字-10。
💡运行结果：

-10

D:\\gtee\\C-learning-code-and-project\\test_810\\Debug\\test_810.exe (进程 27368)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

🌽小试牛刀5：下面程序会输出什么？

#include <stdio.h>
int main()
{
	unsigned int i;
	for(i = 9; i >= 0; i--) 
	{
    	printf("%u\\n",i);
	}
	return 0;
}

🔑:i为无符号整型，范围为0~2^32 -1,所以这个i随着for循环到0后再减减，i在内存中储存的补码为1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111，由于无符号整型原反补码相同，所以i实际值是一个非常大的数，因此这个循环为死循环，因为i永远不会小于0，循环永远跳不出去。

🌽小试牛刀6：下面程序会输出什么？

#include <stdio.h>
int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
   {
        a[i] = -1-i;
   }
    printf("%d",strlen(a));
    return 0; 
}

🔑:定义了一个元素为有符号型char大小为1000的数组a，有符号char类型的范围为-128~127,strlen函数遇到\\0后才会停止计数，\\0的ASCII码为0，所以strlen会计算从开始到数组a中第一个0的地方。

整数i从0开始增加，则数组a内的元素随着下标增大会减小，初始值为-1。所以就相当于绕着如图这个圈逆时针旋转，数组a中首个0出现时，i应该为128+127=255，所以strlen能够计算在i为0~254所对应字符数组a的字符长度，即255。
根据这个图我们可以类推其他类型的整数的范围，以及超出范围后会一样进行一个类似的循环进行数据值的‘转换’。
💡运行结果：

255
D:\\gtee\\C-learning-code-and-project\\test_810\\Debug\\test_810.exe (进程 42544)已退出，代码为 0。
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🌽小试牛刀7：下面程序会输出什么？

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)
   {
        printf("hello world\\n");
   }
    return 0; 
}

🔑:无符号char类型的范围为0 ~ 255,i是一个无符号char类型，无论i怎么加加，它的有效值一定在0 ~ 255范围内，而循环能进行的条件就是i的值在0 ~ 255所以这是一个死循环，会一直输出hello world。

3. 浮点型在内存中的存储

进入正题之前先来看一道例题，通过这道题来引出浮点数在内存中究竟是这么存储的。
🌽例题：下面程序会输出什么？

#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("num的值为：%d\\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\\n", *pFloat);
	return 0;
}

如果你不知道浮点数在内存中怎么存储的，你可能会觉得会输出：

n的值为：9
*pFloat的值为：9.000000
num的值为：9
*pFloat的值为：9.000000

但是，实际上会得出以下结果：

n的值为：9
*pFloat的值为：0.000000
num的值为：1091567616
*pFloat的值为：9.000000

D:\\gtee\\C-learning-code-and-project\\test_810\\Debug\\test_810.exe (进程 3232)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

那是为什么呢？要解释这个问题就要弄清楚浮点数在内存中的储存方式。

💡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。

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。

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（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）。

下面，让我们回到一开始的问题：为什么 0x00000009 还原成浮点数，就成了0.000000？首先，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。

9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

由于指数E全为0，所以符合上一节的第二种情况。因此，浮点数V就写成： V=(-1)^0 ×0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)显然，V是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000。

再看例题的第二部分。请问浮点数9.0，如何用二进制表示？还原成十进制又是多少？首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。

9.0 -> 1001.0 ->(-1)^01.0012^3 -> s=0, M=1.001,E=3+127=130

那么，第一位的符号位s=0，有效数字M等于001后面再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010。所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位的二进制数，还原成十进制，正是1091567616。

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以上是关于计算机是如何储存人类所认知的数据呢？C语言数据的储存的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章