数据在内存中的存储练习题

1. 练习一

#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = -1;
	signed b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("a = %d b = %d c = %d", a, b, c);
	return 0;
}

代码运行结果：
a = -1 b = -1 c = 255

解释：
char默认是有符号的
首先 a 和 b 都是有符号的char
-1的原码： 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
-1的反码： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110
-1的补码： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
由于char只有1个字节，也就是8个bit位，所以会发生截断
char中-1的值为 1111 1111

%d打印的是有符号的整数，会将char类型整型提升至int类型
由于c是无符号的char，整型提升时高位补0
0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111
将这个二进制翻译成10进制就是255
所以为255

2.练习二

#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = -128;
	printf("%u", a);
	return 0;
}

代码运行结果：
4294967168

解释：
-128的原码： 1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000
-128的反码： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 1111
-128的补码： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000
char只有一个字节，会发生截断
-128： 1000 0000

%u打印的是无符号的整数
按照原来的类型进行整型提升
由于char是有符号的char，整型提升时高位补符号位
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000
将这个二进制翻译成十进制就是要打印的数值，这是个相当大的数
可以打开电脑自带的计算器，切换成程序员模式

打印的数就是4294967168

3. 练习三

#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = 128;
	printf("%u", a);
	return 0;
}

代码运行结果：
4294967168

解释：
128的原码：0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000
128的反码：0111 1111 1111 11111 1111 11111 0111 11111
128的补码：0111 1111 1111 11111 1111 11111 1000 0000
char只有一个字节，发生截断
128： 1000 0000

char的取值范围只有-128~127，存不下128
char中128的值和-128一样，所以系统会认为我们存的是-128
所以打印的值和练习二一样4294967168

4. 练习四

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	char a[1000];
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%zd\n", strlen(a));
	return 0;
}

代码运行结果：
255

解释：
循环1000次，一次赋一个值，但是strlen计算的是’\0’之前的元素个数，'\0’的ASCII就是0
所以要在循环中找到第一个0的位置，char类型的取值范围是-128~127

当char中的值为127时再加一，值就变成了-128
当char中的值为-128时再减一，值就变成了127
如此循环
a[i]的值为 -1 -2 -3 -4 … -127 -128 127 126 125 … 3 2 1 0

所以打印的值为128 + 127 = 255

5. 练习五

代码一：

#include <stdio.h>

unsigned int i = 0;
int main()
{
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
		printf("Hello World!\n");
	}
	return 0;
}

运行结果：
死循环打印Hello World！
代码二：

#include <stdio.h>
#include <windows.h> //使用Sleep需包含的头文件

int main()
{
	unsigned int i = 0;
	for (i = 9; i >=0 ; i--)
	{
		printf("%u\n",i);
		Sleep(1000); //暂停一秒便于观察
	}
	return 0;
}

代码运行结果：
死循环打印
9 8 7 6 5 4 3 2 1 4294967295 42949672954 …

解释：
代码一中定义了一个无符号的char，取值范围是0~255，永远不会超过255，当超过255时，又会从0开始，所以造成了死循环
代码二中定义了一个无符号的int，和无符号char同理永远不会超过它的取值范围
0～4294967295，当超过最大值时，就会从0继续开始，如果超过最小值0时，又会从最大值开始

6. 练习六

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a[4] = { 1,2,3,4 };
	int* p1 = (int*)(&a + 1);
	int* p2 = (int*)((int)a + 1);
	printf("%x,%x", p1[-1], *p2);
	return 0;
}

在VS2022,X86的环境下，代码运行结果：
4，200000

解释：
&a取出的是数组的地址，+1跳过了整个数组，p1指向4后的地址
p1[-1] 等价于*(p1 - 1)，p1是int*类型的，-1后退4个字节，整型数组中的元素也是4个字节，所以p1从指向4后的地址变成了指向4，所以p1[-1]是4，打印十六进制也是4

a表示首元素的地址，将地址转化为int类型的，+1，也就是整数+整数，假设a的地址为0x010，转化为int类型，就是16，+1等于17，转化为十六进制就是0x011，p2的地址从0x010变成了0x011，地址只加了一个字节，也就是跳过了一个字节，p2指向首元素的第二个字节的位置，int解引用访问四个字节，从首元素的第二个字节的位置向后访问四个字节

访问得到 00 00 00 02，由于小端字节序是低字节存放在低地址，所以是倒着放的，转化为十六进制要反过来02 00 00 00，所以打印的是02000000

7. 总结

1. 有符号的char取值范围是-128~127，当要超过127时，值会-128开始
   1 2 3 … 125 126 127 -128 -127 -126 … -3 -2 -1 0 1 2 3 …
   其他数据类型也一样

2. char类型的二进制会截断，不管前面是什么，只管最后8个bit的数值
   例如：-1
   -1的原码： 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
   -1的反码： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110
   -1的补码： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
   截断之后1111 1111
   只会存最后8个bit位，这时候就要看最高位是符号位还是数值位
   有符号值就为-1
   无符号就为255

3. 有符号的char整型提升时补符号位
   例如：-1
   1111 1111
   -1的补码：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
   -1的原码：1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
   打印出来就是-1

4. 无符号的char整型提升时补0
   例如：-1
   1111 1111
   0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111
   打印出来就是255