深度剖析数据在内存中的存储

Posted 2021-09-09 小边同学:)

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深度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。

本文重点

1.数据类型的详细介绍
2.整型在内存中的存储：原反补
3.大小端字节序介绍及判断
4.浮点数在内存中的存储解析

正文开始@边通书

1.数据类型的详细介绍

前面我们已经学习过C语言基本内置类型：

这里从两方面说明类型的意义：

1.1 类型的基本归类

整形家族

注：

注：如何理解有符号，无符号？

浮点型家族

构造类型

指针类型

空类型

2.整型在内存中的存储：原反补

对于计算机中整数原反补的表示方法，小边在上篇文章对二进制位操作的一系列操作符中已经详细聊过了，模糊的小伙伴点这哦：

小边同学强势总结【C语言操作符】

本文重点补充：为什么整形数据以补码形式存储在内存中？

1.可以将符号位和数值域统一处理；
2.加法和减法也可以统一处理（CPU只有加法器);

3.此外，补码与原码之间相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

3.大小端字节序介绍及判断

引：首先看看整型数据在内存中的存储

F10调试起来，打开内存窗口

这里就要介绍大小端字节序存储模式：

可见，vs2013采用的是小端（存储）模式。

为什么有大端小端之分？
概括来讲，就是一个数据大小超过1个字节，往内存中放，牵扯字节顺序问题。
不过边边还是贴上这一大段文字，有助加深理解：

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8 bit位。
但是在C语言中除了8 bit的char之外，还有16 bit的short型，32 bit的long型（要看具体的编译器）。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何将多个字节安排的问题。
因此就有了大端存储模式和小端存储模式。

百度系统工程师笔试题：（2015）

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。（10分）

写代码：

#include<stdio.h>

int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* pa = (char*)&a;//强制类型转换
	return *pa;
	//我也可以不创建变量咯，干脆就写成
	//return (*(char*)&a);
}

int main()
{
	//若为小端存储，返回1
	//若为大端存储，返回0
	int ret = check_sys();
	if (1 == ret)
	{
		printf("小端\\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\\n");
	}
	return 0;
}

下面有几道练习题巩固加深理解至此本文聊过的内容：
（每道题都附上了边边的详细解析，小伙伴们先做做看哦）

下面程序输出什么？

#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; 
}

剖析：

2.

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

剖析：

3.

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

剖析：

4.

#include <stdio.h>

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

剖析：

5.

#include <stdio.h>
#include<Windows.h>

int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--) {
		printf("%u\\n", i);
		Sleep(1000);
	}
	return 0;
}

#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;
}

剖析：

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

剖析：

习题到此结束。

4.浮点数在内存中的存储解析

举例引入——>浮点数存储的方式

问输出结果？

#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; 
}

作为初学者的小边一上来就给出这样的答案：

然而：

这说明整形与浮点型，在内存中的存取方式不同。

不过没关系啦，读完本文你就豁然开朗咯！

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: 1<=M<2。
2^E表示指数位。

举几个例子你就知道是咋回事咯：

IEEE 754规定：
1.float

对于32位浮点数，最高1位是符号位S，接着8位是指数E，剩下的23位为有效数字M。

2.double

对于64位浮点数，最高1位是符号位S，接着是11位指数E，剩下的是52位有效数字M。

细心的小朋友会发现，边边特意E和M的后面加上了修正值几个字：
这是因为，IEEE对有效数字M和指数E，还有一些特别的规定。（分为存和取来讨论）

1.M的修正值

前面聊过， 1≤M<2 ，也就是说，M要写成 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，从而提高精度。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。

2.E的修正值（稍稍复杂些）

(1) 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，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。