C语言之数据在内存中的存储（1），整形与大小端字节序

前言

一、整形数据在内存中的存储

二、大小端字节序

三、大小端字节序的判断

四、字符型数据在内存中的存储

总结

前言

本文主要讲述整型包括字符型是如何在内存中存储的，涉及到大小端字节序这一概念，还有如何判断大小端，希望对大家有所帮助

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（本文内容涉及到整形提升，如不了解，主页中可查看详细，两篇结合起来看更深入）

一、整形数据在内存中的存储

我们都知道。整数的2进制表示有3种，即原码、反码、补码。

有符号的整数，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”，最高位的一位是被当做符号位，剩余的都是数值位。

原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制得到的就是原码。
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。

正整数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同。

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（都是取反加1），不需要额外的硬件电路。

（主页·位操作符有详细举例）

二、大小端字节序

运行以下代码，在vs（32位）调试窗口观察其在内存中的存储情况

#include <stdio.h>

int main()
{
	int a = 0x11223344;

	return 0;
}

内存调试窗口：

（0x0058FB3C是a在内存中的首地址）

发现：a = 0x11223344，它在内存中存储的却是 44 33 22 11，是倒着存储的。相信我们平时调试的时候肯定会有这样的疑问，这就涉及到了大小端字节序了。

什么是大小端？

其实超过一个字节的数据在内存中存储的时候，就有存储顺序的问题，按照不同的存储顺序，我们分为大端字节序存储和小端字节序存储，下面是具体的概念：

大端（存储）模式：是指数据的低位字节内容保存在内存的高地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的低地址处。
小端（存储）模式：是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的高地址处。

解释说明：例如上面的 a = 0x11223344，我们按照数学方式读这个数时，44是不是个位和十位。它相比于前面的 112233 是不是算低位。44 就是一个低位字节内容，VS是以小端模式存储数据的，所以 44 就存储在内存的低地址处，其余的就按顺序往高处存储，这样我们看到的就是 44 33 22 11了。那么假如我们用的是大端模式存储数据的，那么我们看到的就是 11 22 33 44 ，11在内存中对应的是低地址，44 是高地址。

为什么有大小端？

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 位，但是在C语言中除了8bit的 char 之外，还有16bit的 short 型，32bit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放在低地址处，即0x0010中，0x22放在高地址处，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。

三、大小端字节序的判断

判断大小端其实很简单，定义 int a = 1，16进制为 0x 00 00 00 01，我们只需要访问其首地址对应的字节内容即可，小端会以 0x 01 00 00 00 从低地址往高地址排放，大端会以 0x 00 00 00 01 从低地址往高地址排放。

如下，一小段代码即可：

#include <stdio.h>

int check_sys()
{
	int a = 1;

	return *(char*)(&a);
}

int main()
{
	int ret = check_sys();

	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else if (ret == 0)
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

运行结果（VS）：

四、字符型数据在内存中的存储

字符型其实也属于整形范畴，存储的是其ASCII码值。

我们可以先观察以下代码：

#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;

	printf("a=%d, b=%d, c=%d\n", a, b, c);

	return 0;
}

运行结果：

解疑：

首先我们知道，字符型变量以%d打印时是要发生整形提升的。
然后a为char类型，vs中，char类型默认为有符号字符型，也就是等同于 signed char，所以a整形提升是要看符号位的，-1的补码是11111111 11111111 11111111 11111111，a大小只有一个字节，存储时会发生截断取后8位，a其补码为11111111，整形提升后 11111111 11111111 11111111 11111111，以%d打印的是原码，再转为原码为10000000 00000000 00000000 00000001，因此打印的还是-1
b与a一样，然后就是c，c是无符号字符形，c的补码还是1111111，整形提升，无符号整形提升高位补0，也就是 00000000 00000000 00000000 11111111，再转为原码，因为是无符号整形，原反补相同，所以原码还是 00000000 00000000 00000000 11111111，打印出来就是255。

在看这段代码：

#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = -128;

	printf("%u\n", a);
	printf("%d\n", a);

	return 0;
}

运行结果：

解疑：

我们发现以%u（无符号整形）方式打印时，打印出的是一个非常大的数字，以%d打印还是原数值，那么为什么会这样呢
首先，a以%u打印时，还是会发生整形提升，-128有点大，我们先算出-128的原码为 10000000 00000000 00000000 10000000，取反加1算出-128的补码为 11111111 11111111 11111111 10000000，截断后 a 的补码就是10000000，以%u打印，虽然是以无符号整形打印，但是整形提升时是根据原类型进行提升的，原类型为char，有符号字符型，所以高位补符号位1，即 11111111 11111111 11111111 10000000。然后%u就发挥作用了，要把整形提升后的这个补码看成无符号整形，这时候原反补就相同，原码就是 1111111 11111111 11111111 10000000，打印出来的结果就是上图中很大的数字，我们可以借助计算器验证：
以%d打印时接着2中整形提升后的补码 11111111 11111111 11111111 10000000，这里是以%d打印，所以要看成有符号的整形，其原码就要进行取反加1，即 10000000 00000000 00000000 10000000，打印出来就是-128

再看这段代码：

#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = 128;

	printf("%u\n", a);
	printf("%d\n", a);

	return 0;
}

运行结果：

解疑：

我们发现128的结果与-128的结果相同，这又是为什么
其实我们自己再重新算一下就会发现，a存储时补码都是 10000000，因为128与-128的补码后8位是完全相同的，截断时值就相同。算一个特殊情况，因为a的值相同，所以后续以%u或者%d打印时效果也相同。

通过以上例题，我们可以再推导一下char型变量（有符号）的存储范围为啥是 -128~127了，还有 unsigned char 为啥是 0~255

我们画图分析：

如此，我们可以画成一个圆：

这就是 char 类型为什么存储范围是-128~127，哪怕赋值的数字超过这个范围，也会被截断在这个范围内。

这就是unsigned char 存储范围为什么是0~255。

其实，signed short 和 unsigned short 类型数据也可以画圆圈表示，int也可以，这里如果感兴趣可以自己画着试试。同上即可

总结

以上就是本文的全部内容，希望对你有所帮助。