C语言之深度剖析数据在内存中的存储

Posted 2021-12-28 飞天小龟

C语言之数据在内存中的存储

• 一. 数据类型的介绍
• • 1.1 类型的基本归类
  • • 1.1.1 整型家族
    • 1.1.2 浮点数家族
    • 1.1.3 构造类型（自定义类型）
    • 1.1.4 指针类型
    • 1.1.5 空类型
• 二. 整形在内存中的存储
• • 2.1 原码、反码、补码
  • 2.2 大、小端字节序存储模式
• 三. 浮点型在内存中的存储
• • 3.1 有效数字M的规定
  • 3.2 指数E的规定

一. 数据类型的介绍

类型	类型名	32位	64位
char	字符数据类型	1	1
int	整型	4	4
unsigned int	无符号整型	4	4
short	短整型	2	2
long	长整型	4	8
float	单精度浮点数	4	4
double	双精度浮点数	8	8

注意！基本整型所占的字节数除了跟操作系统位数有关外，还跟编译器有关，比如说：VC++ int 占据4个四节，但是在 tuborC下则是2个字节。

1.1 类型的基本归类

类型可分为：整型家族、浮点数家族、构造类型和空类型

1.1.1 整型家族

1. char类型
   unsigned char
   signed char
   char虽然是字符类型，但是其对应的assic码也是一个整型数值，故通常将char类型也归入到整型家族里。
2. short类型
   unsigned short [int]
   signed short [int]
3. int类型
   unsigned int 无符号整型
   signed int 有符号整型

int等价为有符号整型，存储范围为-2³¹~ 2³¹-1
无符号整型unsigned int 存储范围为0~2³²，注意：如果将负数存储到无符号整型的变量中，编译器读取它时，会将它转化为整数,打印时要用"%u"打印，不能使用"%d"打印。

4. long类型
   unsigned long [int]
   signed long [int]

1.1.2 浮点数家族

float

单精度浮点型

double

双精度浮点型，精度更高

1.1.3 构造类型（自定义类型）

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

1.1.4 指针类型

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

1.1.5 空类型

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。

二. 整形在内存中的存储

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，那数据在所开辟内存中到底是如何存储的呢？
先了解以下几个概念：

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有三种表示方法，即原码、反码和补码。
计算机内存中存储的是二进制的补码。
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”。

正整数的原码、反码、补码都相同。
负整数的三种表达方法各不相同：

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

2.2 大、小端字节序存储模式

什么大端小端：
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。
以VS2019为例：

显然，此例中高位为1，存放在高字节中，低位为4，存放在低字节中，故其存储模式为小端存储。

例题：设计代码来判断当前机器的字节序。

#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;

三. 浮点型在内存中的存储

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。

举例说明：
十进制的5.0，写成二进制是 101.0 ，相当于1.01*2²，写成以上形式就为(-1)⁰1.012²，其中S=0，M=1.01，E=2；
十进制的-5.0，写成二进制是 -101.0 ，相当于 -1.01×2²，写成以上形式为
(-1)¹1.012²，其中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。

3.1 有效数字M的规定

据上，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，因此，IEEE754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，相当于可以保存24位有效数字。

3.2 指数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。

指数E从内存中取出来又分三种情况：

1. 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

2. E全为0

内存中E全为0时，则真实的E为-127（或-1023），故M*2^-127 ，且M为一个大于等于1小于二的数，则此时的数字为一个无限接近于0的数字。
所以E全为0时是用来表示0和无限接近于0的数字，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。

3. 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）；

举例：

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;

各位大佬可以根据前文来讨论讨论此程序的运行结果，我会在评论区公布结果的。
谢谢各位大佬！！！