《C语言深度解剖》(9)：深度剖析数据在内存中的存储

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🥰本文专栏：《C语言深度解剖》

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1. 数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：

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
//C语言有没有字符串类型？

以及他们所占存储空间的大小。

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]

字符在存储的时候存储的是ASCII码值，ASCII是整数，所以在归类的时候，字符属于整型家族。

浮点数家族：

float
double

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

一个数组，把数组名去掉，剩下的就是这个数组的类型，元素个数不一样，代表类型也不一样。

eg. int a[10] 和 int a[11]是不同的类型，第一个数组类型是int [10],第二个数组类型是int [11]. 所以说数组也是自定义类型。

指针类型

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

C语言中所有“变量”的类型判断：把“变量”名去掉，剩下的就是该“变量”的类型。

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？

比如：

int a = 20;
int b = -10;

我们知道为 a 分配四个字节的空间。那如何存储？下来了解下面的概念：

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和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，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。

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。

我们看看在内存中的存储：

我们可以看到对于a和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？

2.2 大小端介绍

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。

低位：指的是低权值位！

什么是数据的低位高位？

例如：十进制数：1356

1是数据的高位：千位；6是数据的低位：个位

为什么有大端和小端：

百度2015年系统工程师笔试题：

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。（10分）

有两种方法实现：

但是两种方法实现的本质是一样的：选择一个简单的数字(这里选择的是数字1)，判断其第一个字节存储的是什么，如果是0就是大端存储模式，如果是1就代表是小端存储模式。

//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;
}

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

这里简单解释一下方法2为什么也可以实现，到后面深入学习到联合体的时候会进一步详细讲解，这里可以先掌握方法1.

定义一个联合体（union），联合体是一个特殊的数据类型，所有成员都从同一内存位置开始，所以同一时间只能存储其中一个成员的值。在这个联合体中，定义了两个成员：一个整数 int i; 和一个字符 char c;。

将联合体 un 的整数成员 i 赋值为1。由于 int 类型通常大于 char 类型，如果系统是32位的话，int 将占用4个字节，这样整数1在内存中的表示（在小端字节序系统中）通常会是 01 00 00 00。也就是说，最低有效字节（最小的地址）存储了值1，而其他字节存储0。

由于联合体成员共享内存，char c; 将访问整数 i 第一个字节的内容。在小端系统中，由于1被存储在了最低位字节，char c 会读取到值1。在大端系统中，值1会被存储在最高位字节，而 char c 会读取到0。

函数返回 char c 的值。如果返回值为1，则系统为小端字节序。如果返回值为0，则系统为大端字节序。

2.3 练习（重难点）

C语言中的整数类型可以分为两种：有符号和无符号。
有符号整数可以表示正数、负数和零，而无符号整数仅能表示正数和零。
无符号整数确实采用直接的二进制表示，所有的位都用于表示值，没有符号位。无符号整数不使用原码、反码和补码的概念，因为这些都是有符号整数的表示方法。
在无符号整数中，所有的位，包括最高位，都是数值的一部分，没有一个位是用作符号位的。最高位的1或0并没有特殊的含义，它仅仅是数值的一部分，与其他位一样参与数值的表示。
使用%u格式控制符打印无符号整数时，会直接以其十进制值输出非负整数。
因此，使用%u打印无符号整数时，并不需要考虑原码、补码和反码的问题。以无符号形式打印的结果就是该无符号整数的真实值。

a是char类型一个字节只能放8个比特位，所以截断了一些比特位，然后再整形提升。

下面程序输出什么？

有/无符号位数，是对存储在内存中数据的补码的一种看待（使用）方式！

同一个数字存储在内存中的二进制数字是一样的。

如果是以无符号位数的格式打印%u，那就把内存中数据的补码当成没有符号的数字使用(看待)，直接打印出来这串二进制代表的十进制整数即可。

若是打印有符号位数%d，要把补码转换成原码所代表的十进制数字打印出来。

总之，存储内存中的数据是一样的，只不过以不同的方式来使用。

这段代码看似是想循环打印256次"hello world"，但实际上，它会导致一个无限循环，并且会无限地打印"hello world"。原因在于变量i的类型是unsigned char。

在C语言中，unsigned char的取值范围通常是0到255。当i增加到255并执行i++后，按照期望，i会变成256。但是，由于unsigned char的取值上限是255，所以当i尝试增加到256时，它实际上会溢出并回绕到0（这是无符号整数溢出时的正常行为），导致for循环的条件i <= 255始终为真。

这里补充一下char类型的取值范围：

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 一个例子

浮点数存储的例子：

输出的结果是什么呢？