【3000字帮你深度剖析数据在内存中的存储】

news2024/11/16 8:58:46

本节重点 -- 重中之重

数据类型详细介绍
整形在内存中的存储：原码、反码、补码
大小端字节序介绍及判断
浮点型在内存中的存储解析

准备好了，开始啰，在小小的花园里面......最近被这个歌曲洗脑，但是我们并不是要唱歌，而是要学技术啦，哈哈哈，正片开始。

数据类型介绍

char //字符数据类型 1字节
short //短整型 2字节
int //整形 4字节
long //长整型 4/8字节
long long //更长的整形 8字节
float //单精度浮点数 4字节
double //双精度浮点数 8字节
//C语言有没有字符串类型？没有，但是可以用字符数组存储字符串

类型的意义：

使用这个类型开辟内存空间的大小（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

整形家族：

浮点数家族：

构造类型：

指针类型：

空类型：

整形在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的，而空间的大小是根据不同的类型而决定的。

那么数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

比如：
int a = 10;//创建一个变量a，由于是int类型，需要向内存开辟四个字节的空间
int b = -10;//创建一个变量b，由于是int类型，需要向内存开辟四个字节的空间
我们知道为 a 和 b 分配四个字节的空间。
那是如何存储的呢？
接下来听我一一道来。

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”。

负整数的三种表示方法各不相同。

提示：对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

why？

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。
在进行计算的时候，符号位也需要参与运算。

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？

大小端介绍

什么是大端小端：

大端（存储）模式：是指数据的低权值位保存在内存的高地址中，而数据的高权值位，保存在内存的低地址中。
小端（存储）模式：是指数据的低权值位保存在内存的低地址中，而数据的高权值位，保存在内存的高地址中。

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8bit。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 为权值高的字节， 0x22为权值低的字节。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。

设计一个小程序来判断当前机器的字节序。

#include <stdio.h>
//方法一：
int CheckSystem1()
{
	int i = 1;
	return (*(char*)&i);
}
//方法二：
int CheckSystem2()
{
	union
	{
		int i;
		char c;
	}un;
	un.i = 1;
	return un.c;
}

int main()
{
	int ret = CheckSystem1();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

七个小练习 - 巩固知识

demo1

#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;
}

demo2

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

demo3

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

demo4

#include<stdio.h>
int main()
{
	int i = -20;
	unsigned  int  j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}

demo5

#include<stdio.h>
#include<windows.h>
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
		Sleep(1000);
	}
	return 0;
}

demo6

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for (i = 0; i < 1000; i++)
    {
        a[i] = -1 - i;
    }
    printf("%d", strlen(a));
    return 0;
}

demo7

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for (i = 0; i <= 255; i++)
    {
        printf("hello world\n");
    }
    return 0;
}

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

浮点数存储的例子：

#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;
}

输出结果是什么呢？

Why?Why?Why?

num 和 *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。

IEEE 754规定：

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24位有效数字。