整数和浮点数在内存中是如何存储的?

news2024/11/25 4:48:37

1.整数在内存中的存储

      首先数据在内存中都是以二进制的形式存储的,而整数在内存中也是以二进制的形式存储的,而整数的表示形式有三种,分别是源码,反码,补码,而整数在内存中是以补码的形式存放的。

      三种表示方法均有符号位和数值位两部分,符号位用0表示“正”,用1表示“负”,而源码反码补码的二进制序列的最高位表示符号位,剩余序列表示数值位。

鱼哥带大家先来看看正数的源码反码补码怎么表示

我们以int类型的9为例:

正数的源码反码均相同,数值位用二进制来表示,9的二进制序列为1010,但是一个int类型是4个字节,而一个字节是8个比特位,总共要用32个比特位来存储9,所以大家也可以自己算算一个int类型的数据存储的数字范围

 接下来,鱼哥带大家看看负数的源码反码补码怎么表示

上面这个数表示-9 

很明显,负数的源反补要比正数复杂

通过观察可以发现,负数的反码是源码的符号位不变,数值位取反(也就是0变1,1变0)

补码是符号位不变,在反码的基础上加1得到的

接下来这张图会让你对负数的源码反码补码怎么转换会有更深的理解

 重点:对于整形来说,数据在内存中是以补码的形式存放的

扩充了解:

                  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.浮点数在内存中的存储

             整数在内存中的存储对于大家来说应该是小试牛刀吧,原来数据在内存中的存储这么简单,没什么难度,那么接下来鱼哥带大家一起来学习浮点数在内存中的存储

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:
V = (-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,M是大于等于1,小于2的
• 2^E 表示指数位

鱼哥给大家举个例子

十进制的6.0,写成二进制为110.0,相当于1.1*2^2

按照上面V的公式可以得到S=0(因为6.0是一个正数),M=1.1,E=2

对于-6.0来说

写成二进制为-110.0,相当于-1.1*2^2

按照公式也就是S=1,M=1.1,E=2

IEEE754规定:

对于32位的浮点数(float类型)来说,最高的1为存储符号位S,接下来的8位存储指数位E,剩下的23位存储有效数字M

对于64位的浮点数(double类型)来说,最高的1位依然存储符号位S,接下来的11位存储指数位E,身下的52位存储有效数字M

鱼哥给大家画个图方便理解

浮点数存储的过程:

IEEE754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。
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,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IEEE754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

浮点数取的过程也比较复杂:

指数E从内存中取出还可以再分成三种情况:
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(中间值)=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
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。
1 0 00000000 00100000000000000000000

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);
1 0 11111111 00010000000000000000000

好了,关于整数和浮点数在内存中的存储鱼哥就说到这里

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