数据在内存中存储的真相来了!!!

news2024/10/7 12:20:52

🤩本文作者:大家好,我是paper jie,感谢你阅读本文,欢迎一建三连哦。

🥰内容专栏:这里是《C知识系统分享》专栏,笔者用重金(时间和精力)打造,基础知识一网打尽,希望可以帮到读者们哦。

🥴内容分享:本期会对C语言中的数据存储进行具体讲解,各位看官姥爷快搬好小板凳坐好叭。

😘:不要998,只要一键三连,三连买不了吃亏,买不了上当(写作不易,拜托拜托)。


目录

🎃本章介绍重点

🎀数据类型的介绍

🎑类型的基本归类

🏆整型在内存中的存储

🏀原码,反码,补码

⚾大小端介绍

🏓浮点数在内存中的存储

🪅有一个例子

🥌浮点数存储规则

🎯解析前面的题目

 🎱分析代码

🎰总结


🎃本章介绍重点

1. 数据类型的详细介绍

2. 整型在内存中的存储:原码,反码,补码

3. 大小端字节序介绍及判断

4. 浮点型在内存中的存储解析

🎀数据类型的介绍

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

类型的意义:

使用这个类型开辟的内存空间的大小(大小决定了使用范围)

如何看待内存空间的视角

🎑类型的基本归类

整型家族:

 注意:因为字符存储的时候,存的是ASCII码值,是整型,所以归类为整型家族

浮点数家族:

 构造类型(自定义类型):

 指针类型:

 空类型:

void表示空类型(无类型)

通常用于函数的返回类型,函数的参数,指针类型。

🏆整型在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的,空间的大小是由不同的类型决定的。接下来我们谈谈数据在内存中开辟后是如何存储的?

比如 int a = 10;我们知道a分配到了4个字节的空间。但它是如何在内存中存储的呢?

下面我们来了解一下原码反码补码的概念:

🏀原码,反码,补码

计算机中有三种2进制的表现形式:原码,反码,补码。

三种表示方法都有符号位和数值位,首位为符号位,后面的都是数值位。符号位都是用0表示正数,1表示负数。

正数的原码反码补码都相同,但负数的原码反码补码都不相同

负数的原码反码补码计算方式:

原码: 直接按照正负数的形式翻译成二进制位就是原码

反码:符号位不变,原码的其他位取反

补码:反码加一

对于整型来说:数据存放内存中其实是存放的补码。为什么呢?

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)补码和原码相互转换,其运算过程是相同的,不需要额外的硬件电路。

这里给大家举例分析加深印象:

正数:

 负数:

 我们可以发现变量在内存中存储的是补码,但是顺序又不对。

 这是为什么呢?

⚾大小端介绍

什么是大小端:

大端模式:数据的低位保存在内存的高地址位,数据的高位保存在内存的低地址位

小端模式:数据的低位保存在内存的低地址位,数据的高位保存在内存的高地址位

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 。但是在 C 语言中除了 8 bit char 之外,还有 16 bit short
型, 32 bit 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 short x ,在内存中的地址为 0x0010 x 的值为 0x1122 ,那么 0x11
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
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。

下面有一道百度的笔试题,是设计一个小程序来判断机器的字节序,我们一起来看看吧

我们设计是思路是用指针取出a的第一个地址,在用char解引用取出第一个字节地址里的内容和a的低位比较看是不是相等,是则小端,反之大端。 

🏓浮点数在内存中的存储

常见的浮点数有两种:3.14159  1E10, 浮点数家族包括:float,double, long doudle类型。浮点数表示的范围:float.h中有定义

🪅有一个例子

这是一个有关浮点数和整数存储的例子,大家可以猜猜答案是多少?

#include <stdio.h>

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;
}

我想,应该有很多人会认为:

n的值为:9   

*pFloat的值为: 9.000000   

num的值为: 9

*pFfloat的值为:9.000000

让我们运行看看是不是这些答案叭!

 咦,我们发现这些答案和我们猜的有极大的区别,这是为什么呢?我们缓一下,先来了解下面的知识,再回过头来看这个例子叭。

🥌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 V 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

画图举例:

 IEEE 754中规定:

对于32位的浮点数,最高位的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M

对于64位的浮点数,最高位的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
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 8 位,它的取值范围为 0~255 ;如果 E 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 E 10 ,所以保存成 32 位浮点数时,必须保存成 10+127=137 ,即 10001001。
画图举例:
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 23 00000000000000000000000 ,则其存入的二进制表示形式为: 
00111111000000000000000000000000
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

🎯解析前面的题目

为什么9变成浮点数就成了0.000000

首先,9的2进制是00000000000000000000000000001001,因为n是整数,将n强制类型转化给*pfloat,就相当于整数n的二进制被当做了浮点数在内存中的储存方法。我们将它拆分,得到s=0,E=00000000,M=00000000000000000001001。因为E全为0,所以当我们用科学计数法将它取出来就是 (-1)^0 * 0.00000000000000000001001*2^(-127). 我们可以发现它是一个无限接近小数的数,所以%f打印出来就是带有6位小数的0.000000

为什么n的值打印后是一个特别大的数

首先浮点数9.0的二进制是1001.0, 科学计数法为:(-1)^0*1.001*2^3,    s=0  M=1.001 E=3

所以在9.0内存中存储就是:0 0000010 00100000000000000000000.这时以%d打印就是把9.0在内存中储存的数据当成了补码,还原成10进制打印出来。我们用计算机算一下发现它的十进制就是17,825,792

 🎱分析代码

#include <stdio.h>

int main()
{
	int n = 9;
	//00000000000000000000000000001001
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为:%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);
	//s=0,E=00000000,M=00000000000000000001001
	//(-1)^0 * 0.00000000000000000001001*2^(-127) = 无穷小
	*pFloat = 9.0;
	//0 0000010 00100000000000000000000
	printf("num的值为:%d\n", n);
	//%d打印就是把9.0在内存中储存的数据当成了补码,还原成10进制打印出来
	printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

🎰总结

到这里我们对数据存储的深挖就结束了,通过这一次想必大家对数据存储的认识又提高了一个层次。下一章我们将会对指针进行更加细致的分析。

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