一文带你深度解剖数据在内存中的存储（和bug郭一起学C系列）

Posted 2021-10-23 bug 郭

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了一文带你深度解剖数据在内存中的存储（和bug郭一起学C系列）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

✂️ 写在前面

经过上篇博客的学习，你已经知道了数据的运算， 那数据在内存中又是如何存储的呢？
今天bug郭就带你一起学习数据在内存中的储存！

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:scissors: 写在前面
:100: 本章重点
:book: 数据类型介绍
- :eye:内置类型
- 类型的基本归类
:tm:整形在内存中的存储
:sweat_drops: 浮点型在内存中的存储
- :thumbsup: 浮点数存储方式介绍
- :trophy: 总结

💯 本章重点

数据类型详细介绍
整形在内存中的存储：原码、反码、补码
大小端字节序介绍及判断
浮点型在内存中的存储解析

📖 数据类型介绍

那些我们学过的C语言数据类型，你还记得多少，我们一起来整理一一下吧📖

👁内置类型

char  //字符型 1byte
int  //整型    4byte
short//短整型2byte
long  //长整型4/8byte
long long   //更长的整型8byte
float //单精度浮点型  4byte
double//双精度浮点型8byte
//C语言中无字符串类型

类型的意义
之前的博客中已经介绍过了

类型可以决定该类型的变量在内存中创建内存空间的大小
类型可以决定指针访问的权限，加减指针的位移
…

我们可以根据我们变量的大小合理选择类型，创建空间大小。

不同的数据类型根据它们的字节大小，需要占用不同空间大小的内存空间

类型的基本归类

整型家族

char 
signed char
unsigned char
short 
signed short [int]
unsigned short [int]
int 
signed int 
unsigned int 
long 
signed long [int]
unsigned long [int]
long long
signed long long [int]
unsigned long long [int]

注意：字符型也归类为整型家族，每个类型都有有符号类型和无符号类型。

浮点数家族

float  
double

构造类型

//结构体类型 
struct
//枚举类型
enum
//联合类型
union

指针类型

char*
int*
float*
void*

空类型

void

void空类型
通常使用在函数的参数，返回值，指针。

™️整形在内存中的存储

我们之前讲过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。
那接下来我们来看看整型是如何存储的。
例如：

int a=1;
int b=-3;

我们已经知道整型占用内存空间为4个字节。那么是如何分配储存的！
我们先来了解一下计算机中有符号数的三种表示方法：
原码，反码，补码

计算机中有符号数有三种表示方法，原反补。
这三种表示方法，都是由符号位和数值位组成，符号位1表示负数，0表示正数，数值位各不相同！
原码

直接将数据通过二进制正负的形式翻译过来的的二进制位

反码

由原码，符号位不变，数值位按位取反。

补码

反码+1得到补码！

正数的原反补相同

数据是以补码的形式在内存中存储
为啥是补码呢？
学过计算机原理的同学肯定了解，因为计算机的CPU中运算器（ALU）只能进行加法！所以负数要转化成加法运算，而补码很好的解决了这个问题！

✔️ 大小端

根据我们之前博客的学习👁,避免bug，调试技巧我们已经知道了，调试窗口，可以查看变量的地址和内存，我们&x可以查看到x在计算机中内存的储存。

int x=1;
//x为整型有32二级制位
//而每4个二进制位是一个16进制位,
//x=1的16进制表示方法：00 00 00 01

而我们看到vs下x的内存，低位01却存在最左边。
为啥会存到最左边呢？
我们可以看到x占用4个字节空间，地址从左往右依次递增！低地址存低位字节数据，高地址存高位字节数据。
这就是我们所介绍的小端存储。
而大端存储，不言而喻就是，高地址存低位，低地址存高位！
总结:

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。

为啥会有大小端

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。

总结：
计算机寄存器宽度大于一个字节，那么就多个字节类型数据的存储就产生了不一样的大小端存储模式。

🗝判断大小端

我们已经知道有大小端两种存储模式，而我们要如何判断一台机器是小端存储，还是大端储存呢？也就是判断当前机器的字节序？

我们可以设计几个程序，来验证该不同机器的字节序。
设计思路
我们可以想办法将某一地址处存的字节数据拿出即可判断，如果高地址低字节位，说明是小端存储，否者就是大端存储模式。

//代码一
//利用char*指针得到低地址的字节数据
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a=1;
	int *pa=&a; 
	//利用char*存储a第一个字节的低地址
	char*pc=(char*)pa;
	printf("%d",*pc);//访问这个字节的地址，打印数据
	return 0;
}

低地址打印了低字节位，说明bug郭的机器是采用小端存储模式！
我们刚刚是说写个程序，判断字节序，所以我们需要封装一下！

//代码1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
    int i = 1;
    return (*(char *)&i);
}
int main()
{

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

我们之前还了解到了一个C语言自定义类型联合体，我们后期还会详细介绍！
联合体就是一块空间，多个变量联合使用，共同占用一块空间！当我们访问其中一个变量，该空间就存储着该变量！
我们可以利用联合体这一特性来判断字节序

//代码2
int check_sys()
{	
	union 
	{
	int i;
	char c;
	}un;
	un.i=1;
	return un.c;
}

学会了吗，这就是大小端的判断！

👊 小试牛刀

到这里我们已经学习了整型在内存中如何存储，我们来写几个练习巩固一下吧！

练习题目

下面一共7道题目
大家可以试着练习一下，我会给大家一一讲解

//练习1
//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;
}

//练习2
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    printf("%u\\n",a);
    return 0;
}

//练习3
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = 128;
    printf("%u\\n",a);
    return 0;
}

//练习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
}

//练习5
#include <stdio.h>
int main()
{
	 unsigned int i;
	for(i = 9; i >= 0; i--)
	{
   		 printf("%u\\n",i);
	}
 return 0;
}

//练习6
int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
    {
        a[i] = -1-i;
    }
    printf("%d",strlen(a));
    return 0;
}

//练习7
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)
    {
        printf("hello world\\n");
    }
    return 0;
}

📌 练习讲解

//练习1
//输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -1; 
    //-1 : 补码 11111111 11111111 11111111 11111111 
    //截断放入 a:  11111111 
    signed char b = -1;
    //-1截断放入b中 b: 11111111 
    unsigned char c = -1;
    // 同理 c: 11111111 
    printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
    //a和b是有符号字符型，%d打印整型提升补充符号位后
    //补码 11111111 11111111 11111111 11111111 
    //得到原码：10000000 00000000 00000000 00000001 
    //所以a和b打印结果是-1
    //而c是无符号字符型，所以整型提升，补充0
    //00000000 00000000 00000000 11111111 
    //转换原码 00000000 00000000 00000000 11111111 
    //所以c的打印结果是 225
    return 0;
}

运行结果

//练习2
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    //-128 原码：00000000 00000000 00000000 10000000
    //补码: 11111111 11111111 11111111 10000000
    //截断存入char a 中  10000000
    printf("%u\\n", a);
    //%u无符号的形式打印
    //a是有符号char 整型提升补充符号位
    // 11111111 11111111 11111111 10000000
    //而%u默认该数据为无符号数据，所以认为a的原码补码相同
    //打印结果 4294967168
    return 0;
}

运行结果

//练习3
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = 128;
    //128 00000000 00000000 00000000 10000000
    //截断存入char a ：10000000
    printf("%u\\n", a);
    //整型提升char a有符号，补符号位 
    //11111111 11111111 11111111 10000000
    //%u无符号的形式打印，认为该数据原码补码相同
    //打印 4294967168
    return 0;
}

看到练习3的结果和练习2的结果一样，一个是-128，一个是128
但以%u打印了一样的结果！

因为无论是128还是-128截断后存储到a都是相同的二进制位！

//练习4
#include <stdio.h>
int main()
{
    int i = -20;
    //-20 原码：10000000 00000000 00000000 00010100
    //补码 : 11111111 11111111 11111111 11101100
    unsigned  int  j = 10;
    //10 ：  00000000 00000000 00000000 00001010
    printf("%d\\n", i + j);
    //i+j补码：11111111 11111111 11111111 11110110
    //原码：   10000000 00000000 00000000 00001010
    // 打印 -10
    //按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数
}

运行结果

//练习5
#include <stdio.h>
int main()
{
    unsigned int i;  
    //无符号int i 所以始终大于等于0
    for (i = 9; i >= 0; i--)
    {
        printf("%u\\n", i);
        //无法退出循环
    }
    return 0;
}

unsigned int范围：0~2^32
代码会发生死循环！

运行结果

//练习6
#include<stdio.h>
int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for (i = 0; i < 1000; i++)
    {
        a[i] = -1 - i;
        //a[i]是字符型，范围为-128~127
        //超过会进行截断存入a[i]中
        //当-129存入a[128]中截断
        //-129 :原 10000000 00000000 00000000 10000001
        //   补码  11111111 11111111 11111111 01111111
        //截断 后存入a[128]中 01111111
        //此时a[128]符号位为0  故存入的为 127
        //后面数据同理
        //当a[255]=-256 
        // -256 原 10000000 00000000 00000001 00000000
        //补码 :   11111111 11111111 11111111 00000000
        // 故此时a[255]存入的是 0
    }
    printf("%d", strlen(a));
    //strlen 遇到'\\0'停止计数，也就arr[255],所以返回长度为255
    return 0;
}

char中的范围就是这样的，所以但一个数据小于-128时下一个数据就是127 大于127下一个数据就是-128
运行结果

//练习7
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
//unsigned char  范围为0~255
int main()
{
    for (i = 0; i <= 255; i++)
    {
        printf("hello world\\n");
        //当i=255时，i++后，i循环回到i=0
        //所以该代码会发生死循环
    }
    return 0;
}

运行结果

这就是所以练习的答案了，是不是还有点意犹未尽！如果还没学会可以多看几遍！

⭐️ 重点归纳总结

计算机中数据的存储和计算都是以补码的形式进行的！
整型提升还有截断的对象也是针对补码。
无符号整型提升，二级制位补充0，有符号整型提升，二进制位补充符号位。
%u（无符号打印）自动认为打印的数据是无符号数据，所以存储的补码也就是原码，%d（有符号打印）认为打印的数据是有符号类型的，要将数据转换成原码打印输出！

💦 浮点型在内存中的存储

我们已经学会了整型在内存中的存储，你肯定会好奇，浮点型数据该怎样存储在内存中呢？

常见的浮点数：

3.14159 1E10  2.7

浮点数家族包括：

float、double、long double 类型。

浮点数表示的范围:
vs中float.h有详细介绍浮点数的表示范围，有兴趣的伙伴可以期查阅一下，bug郭截取了一段供大家参考：

// float.h
//
//      Copyright (c) Microsoft Corporation. All rights reserved.
//
// Implementation-defined values commonly used by sophisticated numerical
// (floating point) programs.
//
#pragma once
#ifndef _INC_FLOAT // include guard for 3rd party interop
#define _INC_FLOAT

#include <corecrt.h>

#pragma warning(push)
#pragma warning(disable: _UCRT_DISABLED_WARNINGS)
_UCRT_DISABLE_CLANG_WARNINGS

_CRT_BEGIN_C_HEADER



#ifndef _CRT_MANAGED_FP_DEPRECATE
    #ifdef _CRT_MANAGED_FP_NO_DEPRECATE
        #define _CRT_MANAGED_FP_DEPRECATE
    #else
        #ifdef _M_CEE
            #define _CRT_MANAGED_FP_DEPRECATE _CRT_DEPRECATE_TEXT("Direct floating point control is not supported or reliable from within managed code. ")
        #else
            #define _CRT_MANAGED_FP_DEPRECATE
        #endif
    #endif
#endif

大家肯定会疑问，这是个啥，看不懂啊，其实bug郭也看不懂，哈哈哈，不过问题不大！

浮点型的其类型说明符有float 单精度说明符，double 双精度说明符。在Turbo C中单精度型占4个字节（32位）内存空间，其数值范围为3.4E-38～3.4E+38，只能提供七位有效数字。双精度型占8 个字节（64位）内存空间，其数值范围
1.7E-308～1.7E+308，可提供16位有效数字。

兄弟们，我们写个代码看看，你就了解了浮点型！

#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;
}

输出结果会是怎么样的？会是像我们整形数据那样分析吗？
结果肯定是否定的！

运行结果：

可以看到打印结果完全出乎我们意料，num和*pFloat 在内存中明明是同一个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大？
要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。所以我们可以知道，浮点型数据和整型数据在计算机中有着不一样的存储方式！

👍 浮点数存储方式介绍

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double 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。

数据的存入
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。
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
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）；

好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。

学到这我们了解了浮点数据的存储方式，就可以把刚刚的运行

以上是关于一文带你深度解剖数据在内存中的存储（和bug郭一起学C系列）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

# yyds干货盘点 # 一文带你解读JavaScript中的变量作用域和内存问题

一文带你搞懂 MySQL 中的分区！

一文带你彻底搞懂Docker中的cgroup

简直不要太硬了！一文带你彻底理解文件系统