C语言剖析数据在内存中的存储

Posted 2021-09-05 平凡的指针

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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C语言剖析数据在内存中的存储相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

数据类型介绍
整形在内存中的存储
- 1.原码、反码、补码
- 2.大小端介绍
浮点型在内存中的存储

数据类型介绍

数据类型的基本分类：

1.整形家族

char
unsigned char
signed char
short
unsigned short int
signed short int
int
unsigned int
signed int
long
unsigned long int
signed long int

2.浮点型家族

float
double

4.构造类型家族

数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

5.指针类型家族

int* pi
char* pc
float* pf
void* pv

整形在内存中的存储

上面介绍了类型的基本分类，下面我们来讨论他们又是在内存中怎么存储。
我们知道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：int a=3; int b=5;
为a和b分别分配4个字节空间，而它们如何存储？我们先了解下面概念：

1.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，符号位就是第一位，符号位都是用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：
反码加1就是补码

对于正数：原码等于反码等于补码，它们三者都相等。
对于负数：遵守上面转化规则。
比如我们用int a=5 和 int b=-3 来分析在 a中存储的内容：

因为是int类型，所以在32位平台下占4个字节，即32位比特位
5为正数，所以原码等于反码等于补码
原码： 00000000000000000000000000000101
反码： 00000000000000000000000000000101
补码： 00000000000000000000000000000101
-3为负数，符号位1
原码： 10000000000000000000000000000011
反码： 11111111111111111111111111111100
补码： 11111111111111111111111111111101

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
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。
或许有人会问从原码到补码的过程是符号位不变，其它位取反再加1；从补码到原码是补码减1，如何再按位取反。两者的过程怎么相同呢？
我们接着分析 -3的补码转变为原码是怎么转的吧

-3
补码：11111111111111111111111111111101
先减1: 11111111111111111111111111111100
然后符号位不变，其它位取反：
得到原码：10000000000000000000000000000011
但是如果我们按照上面所说，运算过程是相同的，那么补码按位取反，然后加1是不是得到原码呢？分析如下：
补码：11111111111111111111111111111101
先取反：10000000000000000000000000000010
加1：10000000000000000000000000000011

我们发现原码和补码运算过程是真的相同耶；所以我们有以下方法转化：

我们再看看在内存的存储：

我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲，好像是倒过来一样，这是又为什么呢？
我们又要引出我们新的概念：

2.大小端介绍

什么是大小端呢？定义如下：

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

比如我们上面a和b的存储就是小端存储，因为a为5时，在底地址存放的是数据的底位05。
那大小端存在有什么意义呢？
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 32bit 的 int 型 x ，在内存中的地址为 0x00000010 ， x 的值为 0x5566 ，那么 0x55 为高字节， 0x66为低字节。对于大端模式，就将 0x55 放在低地址中，即 0x00000010 中， 0x66 放在高地址中，即 0x00000011 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。
我们做道题来体验一下大小端：
请设计一个小程序来判断当前机器的字节序

我们还是要从定义入手，不妨设个整形变量的值为1，因为整形占4个字节，
存的值是：0x00 00 00 01，我们只要想方法得到低地址一个字节中的值就阔以了，
如果得到的值是0，则数据的高位，保存在内存的低地址中，就是大端
如果得到的值是1，则数据的低位，保存在内存的低地址中，就是小端
所以我们用char*变量来控制只取出一个字节，然后再解引用就可以了。

代码如下：

#include <stdio.h>
int check()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
	int ret = check();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\\n");
	}
	return 0;
}

而我用的环境是vs2019 是小端存储模式

浮点型在内存中的存储

浮点数家族包括： float、double、等类型。浮点数表示的范围：float.h中定义。
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

举个例子：十进制的5.5转变为二进制是 101.1 ，按照什么的格式写为：
( -1)^0 * 1.01 * 2^2 则S=0，M=1.01，E=2
它们在内存中的存储方式为：
根据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。

但是我们转变为二进制的M和E是直接放进去的码吗？其实不是，还有一些规则：
对格式中M的规定：
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位有效字。
对格式中E的规定：
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
再用我们5.5为例子，我们通过调试来验证：

E的存储是这样，但是取出来不是简单的减去127就阔以了，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，即E减去127就得到原来的数字。
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为全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）。
因为只有E原来为128的时候，128+127 E才全部为1，这样才能表示±无穷大。
以上就是关于浮点数的表示规则。
我们再做一下这道题理解一下：

n为整形，所以n在内存中为：9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
根据规则得出：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 00001001。