C语言进阶内功修炼——深度剖析数据在内存中的存储

news2024/11/16 7:21:29

🐒个人主页:平凡的小苏

📚学习格言:别人可以拷贝我的模式,但不能拷贝我不断往前的激情

 

目录

 🚀1. 数据类型介绍

🌇1.1 类型的基本归类:

🚀2. 整形在内存中的存储 

🎇2.1 原码、反码、补码

🌇2.2 大小端介绍  

🛸2.3 练习

🚀 3. 浮点型在内存中的存储

🌇 3.1 浮点数存储规则

🎇3.2 浮点数在内存中的存储的一个例子 


 1. 数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型:以及他们所占存储空间的大小。

char            // 字符数据类型
short           //短整型
int              // 整形
long            // 长整型
long long   // 更长的整形
float           // 单精度浮点数
double       // 双精度浮点数

类型的意义 :

        1.使用这个类型开辟内存空间的大小(大小决定了使用范围)

        2.如何看待内存空间的视角

1.1 类型的基本归类:

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 ]

注意:1. char类型在语法中没有规定是有符号或者是无符号类型,取决于编译器决定,而VS是默认为有符号类型    

浮点数家族:

float
double

构造类型:

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

指针类型

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

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

2. 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。
那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的?
例如:
int  a = 20;
int  b =-10;
我们知道为a分配四个字节的空间。
那应该如何存储在内存空间的呢?为此让我们来探讨一番
下面来了解下面的概念:

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法,即原码、反码和补码。

三种表示方法均有符号位数值位两部分,符号位都是用0表示,用1表示,而数值位

正数的原、反、补码都相同。
负整数的三种表示方法各不相同。
原码
直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。
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反码。

补码
反码+1就得到补码。

画图演示:

 

注:如果想要补码转换为原码,将其补码减一,然后符号位不变其他位按位取反即可。

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。

2.2 大小端介绍  

我们先来看一个a和b的数据在内存中的存储:

我们可以看到对于 a b 分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点 不对劲
这是又为什么?

 

这就属于编译器的大小端问题了!

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 中。
为什么有大端和小端:
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8 bit。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),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何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。

 我们可以看看往年的百度笔试题:

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。
#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;
}

 

注:由图可以知道VS是小端存储的,返回的是1则为小端。

2.3 练习

//1.
#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;
}

原、反、补的演示:

 

 注:由代码可以知道,char  a = -1转换成补码是全1,又因为是char类型所以需要发生截断.

signed char b  = -1,这个与char a是一样的,所以将a和b进行%d 打印时需要整型提升,此时a和b是有符号位的,所以整型提升时补1.

而c是无符号位的,所以整型提升时补0.

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

 

解释:

10000000000000000000000010000000 - a的原码
11111111111111111111111101111111 -a的反码
11111111111111111111111110000000 -128的补码
10000000 - a发生截断
11111111111111111111111110000000 -将a整型提升在进行无符号整型打印

则会打印很大的数出来

//3.
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

 3. 浮点型在内存中的存储

常见的浮点数:

3.14159
1E10
浮点数家族包括:float、double、long double类型。
浮点数表示的范围:float.h中定义

 3.1 浮点数存储规则

num *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。
详细解读:
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,按照上面图片 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32位的浮点数
如图,浮点数的第一个格子是表示正负的,如果是正数则放置0,如果是负数则放置1.
而E是依次往后数的8个比特位
M是放置23个比特位的 

对于64位的浮点数:

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。
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 23 位有效数字。否则只能保存22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。
注意:我们存入内存时是加上中间数,而从内存中取出来是减去中间数
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
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。

3.2 浮点数在内存中的存储的一个例子 

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;
}

输出的结果是什么呢?如图所示 

注:

1、 有了上述的解释,我们就可以很好的了解这个输出答案。首先第一个输出的9很好理解,不做过多的解释。

2、而第二个输出则是将n的地址取出,然后赋给*pFloat。而9的是正数,原码、反码、补码相同

则9的补码位:0  00000000  00000000000000000001001.

这时将该数用%f来打印,则将它的补码以浮点数取出来。

则: 0  00000000  00000000000000000001001.由于E的位置为全0 

则: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。所以打印如图所示

3、此时*pFloat是以浮点数的形式存入内存,那么是怎么存储的呢?

十进制的9 .0 ,写成二进制是 1001.0 ,相当于 1.001×2^3 
那么,按照上面图片 的格式,可以得出 S=0 M=1.001 E=3
所以存入内存的形式是:01000001000100000000000000000000
又因为*pFloat放的是n的地址,*pFloat修改则n也会因此改变,并且又以%d的形式打印
所以打印出来的是:1091567616
4、该数以浮点数打印也不做过多解释

 

 好了!此次的分享已经结束了,如果有什么不足的地方请大佬们多多指教!

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