C语言进阶---数据的存储

news2024/11/8 20:28:23

1、整形存储和大小端

本章重点:

1、数据类型详细介绍

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

1.1、数据类型介绍

char         1byte           //字符数据类型
short        2byte       //短整型
int          4byte         //整形
long         4/8byte          //长整型   在32位平台下是4byte,在64位平台下是8byte
long long    8byte         //更长的整形
float        4byte       //单精度浮点数
double       8byte        //双精度浮点数
    
    
//C语言规定:sizeof(long) >= size(int)
//C语言没有字符串类型,只有字符类型

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。

1.2、类型的基本归类

整型家族:

char     //字符的本质是ASCII码值,是整型,所以划分为整形家族
    unsigned char       0~255   ,如果unsigned char a = 1945,最后也会分解为0~255之间的数,下面的同理,无论赋值多少,都不会跳出它们所对应的范围。
    signed char         -128~127
    
short
    unsigned short [int]      0~65535
    signed short [int]        -32768~32767
    
int 
    unsigned int
    signed int
    
long
    unsigned long [int]
    signed long [int]
    
long long
    unsigned long long [int]
    signed long long [int]

有几个点需要说一下:

  • 平常我们使用int是,int a; ------> signed int a;

  • char分为三种类型:char,signed char,unsigned char。那char到底是signed char还是unsigned char呢?标准是未定义的,取决于编译器。VS编译器是signed char

  • signed—有符号整型,既有正数又有负数。

  • unsigned—无符号整型,只有正数。

如果是signed,需要看最高位(符号位),如果符号位是0,就为正数,如果符号位是1,就为负数。

__浮点数家族:__表示小数就可以使用浮点型。

float          //精度低,存储数值的范围较小

double        //精度高, 存储数值的范围较大

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

数组类型:只要是元素类型和元素个数不同,在就是不同类型的数组。

eg:

  • int arr[5]; 这个数组的类型是int [5]。
  • int arr[8]; 这个数组的类型是int [8]。
  • char arr[5]; 这个数组的类型是char [5]。

指针类型:

int* pi;

char* pc;

float* pf;

void* pv;

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。

//第一个void表示函数不会返回值,第二个void表示函数不需要任何传参。
void test(void)
{
	;
}

2、整型在内存中的存储

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。

那接下来我们来看看数据在所开辟内存中到底是如何存储的?

比如:

int a = 10;
int b = -10;

我们知道a分配4个字节的空间。

那如何存储?

如下了解下面的概念:

2.1、原码,反码、补码

整数的二进制表示有3种:

  • 原码
  • 反码
  • 补码

正的整数的原码、反码、补码相同。

负的整数的原码、反码、补码是要计算的:

  • 原码:直接通过正负的形式写出的二进制序列就是原码。
  • 反码:原码的符号位不变,其它位按位取反得到的就是反码。
  • 补码:反码+1就是补码。

1、比如7的原码、反码、补码:

因为7是正值所以,原码 = 反码 = 补码

7是int类型的,占4个字节,一个字节=8bit,所以:

原码 = __0__0000000000000000000000000000111

注意:最高位(就是最左边的哪一位)0代表是正数,1代表是负数。

2、-7的原码、反码、补码

  • 原码:10000000000000000000000000000111
  • 反码:11111111111111111111111111111000(按照原码的最高位不变,其它的取反)
  • 补码:11111111111111111111111111111001(反码+1=补码)

我们知道数值有不同表示方式:

  • 2进制
  • 8进制
  • 10进制
  • 16进制

现在我们来用不同的表达方式来表示十进制的21:

  • 2进制:__0b__10101 ,0b代表二进制
  • 8进制:__0__25 ,0代表八进制
  • 16进制:__0x__15 ,0x代表十六进制

现在我们来分别计算如下程序的原码,补码,反码:

#include <stdio.h>

int main()
{
	int a = 20;
	//20
	//原码==反码==补码 --> 00000000000000000000000000010100
	
	int b = -10;
	//10
	//原码 --> 100000000000000000000000000001010
	//反码 --> 111111111111111111111111111110101
	//补码 --> 111111111111111111111111111110110
	return 0;
}

【补充一点:】这里我们在使用编译器调试的时候来看,其实是把__每4个二进制位转为一个16进制位的。__

也就是说数据是以16进制的形式来展示给程序员的。

比如:上述的20的补码:00000000000000000000000000010100

在这里插入图片描述

所以20的二进制转为十六级进制就为:0x00000014

同理-10:

  • 原码:0x800000000a
  • 反码:0xfffffff5
  • 补码:0xfffffff6

下面我们进入调试,来看一下:

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

注意:千万不要认为调试的时候显示的是十六进制的数据,那在内存中存储的形式就是十六进制的。这是错误的,实际上在内存中存储的形式还是二进制的。只不过是二进制的数据需要32bit,看着不方便,不简洁,然后编译器就以每4个二进制位转为十六进制位的方式进行存储的。千万千万要注意这一点。

2.2、得出结论:整型内存中存放的是补码的二进制序列。

其实从&b那张图就可以看出:整型内存中存放的是补码的二进制序列。

那为什么内存中存放的是补码呢?

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。

CPU只有加法,那减法怎么处理呢?比如:1-1

其实1-1可以写为1+(-1),这样就完美转换为加法了。这也就是上述所说的加法和减法可以统一处理的实现。

现在我们就是是一下1+(-1)

首先 1的补码:00000000000000000000000000000001

然后-1的补码:11111111111111111111111111111111

然后两个补码相加为:100000000000000000000000000000000(这个变为33位了,因为进位+1了)

但是int类型的大小只有32bit,所以只取32bit个:00000000000000000000000000000000。

所以1+(-1)最终结果就是0。

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。这句话怎么理解呢?

我们知道负数:原码取反得到反码,然后反码+1得到补码。

那如果我们由补码得到原码?大多数人想到的就是:这简单呀,就是:补码-1得到反码,然后反码取反得到原码。

这样就搞定了。对!!!这种方法是可行的,是正确的。

但其实还有另一种方法,就是:补码取反得到反码,然后反码取反得到补码。

也就是说由原码得到补码,或者是由补码得到原码的动作是相同的。

举个例子:-10

-10的补码:11111111111111111111111111110110,然后补码+1得到反码

-10的反码:11111111111111111111111111110111,然后反码取反得到原码

-10的原码:10000000000000000000000000001000。

所以又得到原码=-10了。

所以上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。

2.3、大小端

问题引入:如下图,有没有发现数据在存储的时候是倒着存储的呢?得到的数据是0x00000014,存储的是0x14000000。这里就牵扯到大小端问题。

在这里插入图片描述

什么是大小端:

大端(字节序存储),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(字节序存储),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。

在这里插入图片描述

【说明:】0x11223344,这里的44是数据的最低位,11是数据的最高位。

我们需要知道数据在存储时,有个顺序问题。

所以可以看出VS的编译器是小端存储的。

2.4、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。

分析:我们就去一个简单的数字,比如:int a = 1; 这里的取值可以任意取,只不过取1可以更简单,更直观的体现出来大小端。

如果是小端字节序,应该是这样存储的:

在这里插入图片描述

如果是大端字节序,应该这样存储的:

在这里插入图片描述

可以发现大小端字节序的区别就是:第一个字节的值不一样,我们就根据这一点来判断即可。

如下代码:

#include <stdio.h>

int main()
{
	int a = 1;
	if (*(char*)&a == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}




//封装为函数的写法
#include <stdio.h>

int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

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

3、练习题

第一题:打印以下结果

#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("%d %d %d\n", a, b, c);
	return 0;
}

//signed char      -128~127
//unsigned char    0~255

在这里插入图片描述

分析:首先-1是整型,但现在是char类型所以需要截断。

-1的原码:10000000000000000000000000000001

-1的反码:11111111111111111111111111111110

-1的补码:111111111111111111111111__11111111__

然后截断,只取上面补码加黑部分。

所以char类型的-1就是11111111。

然后看打印,打印要求是以%d的形式输出,%d代表是int类型的,那由char类型的到打印int类型的需要整型提升。

但是现在是char类型的数据,所以需要整型提升。

那现在需要对a进行整型提升,我们需要先看a的类型,a的类型是char,char是有符号char,所以最高位就是符号位。

既然是有符号char,那整型提升就是:高位需要用符号位进行填充。

所以a整型提升后位:11111111111111111111111111111111,这个二进制序列是补码。但是需打印原码,所以还需要转为原码。

补码:11111111111111111111111111111111

反码:10000000000000000000000000000000

原码:10000000000000000000000000000001

所以记结果就是-1。

所以a输出的结果就是-1。又因为这里的char就是signed char,所以b的结果也是-1。

现在来分析c的值。

首先:unsigned char c = -1; 由于unsigned char的取值范围是0~255,按理说c不能为-1,超出范围了。

按理说不能存,但是实际上是先存进去的。

-1的原码:10000000000000000000000000000001

-1的反码:11111111111111111111111111111110

-1的补码:11111111111111111111111111111111

因为-1是整型,但是c是char类型的,所以需要截断。

截断后的补码:11111111

然后进行整型提升。先看c是什么类型的,c是unsigned char类型的,是无符号类型的char,所以说这里高位不要用符号位填充了。高位直接用0进行填充。

所以整型提升后得补码为:00000000000000000000000011111111

而此时的补码就等于原码。所以结果为255。

第二题:打印以下结果

#include <stdio.h>

int main()
{
	char a = -128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

输出:

在这里插入图片描述

分析:首先a=-128

a的原码:10000000000000000000000010000000

a的反码:11111111111111111111111101111111

a的补码:11111111111111111111111110000000

因为a是char类型的,所以需要截断。

截断后的补码:10000000

然后由于是以%u进行输出,%u代表无符号整型。所以重点是char类型的想以int类型的打印,需要整型提升。

整型提升后的补码:11111111111111111111111110000000

这时再看打印,要求以%u进行打印输出。因为%u是无符号整型打印。不存在符号位了,补码就是反码就是原码。

所以结果为:4294967168。

第三题:输出程序结果

#include <stdio.h>

int main()
{
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\n", i+j);
	return 0;
}

输出:

在这里插入图片描述

分析:首先因为都是整型,所以不需要整型提升了

-20的原码:10000000000000000000000000010100

-20的反码:11111111111111111111111111101011

-20的补码:11111111111111111111111111101100

10的补码:00000000000000000000000000001010

i+j;就等于-20的补码+10的补码:

​ 11111111111111111111111111101100

​ 00000000000000000000000000001010

相加之后的结果:11111111111111111111111111110110

因为要以%d打印,%d是有符号整型。最高位为符号位=1,所以为负数,应该求反码,原码。

得到反码:10000000000000000000000000001001

得到原码:10000000000000000000000000001010

所以结果为-10。

第四题:输出程序结果

#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;
}

在这里插入图片描述

输出 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0就不说了,这个是正常的程序。

说一下为什么会打印下面的数:当i=0之后,i–,i变成-1。

但是i是unsigned int类型的。i现在是负数,需要经过反码,补码,然后求其值

-1的原码:10000000000000000000000000000001

-1的反码:11111111111111111111111111111110

-1的补码:11111111111111111111111111111111

-1的补码转为十进制就为:4294967295

显然这个数是>=0的。所以条件满足,然后打印输出。

然后i–,i变为了-2,也是同样的道理。

第五题:填写结果

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
	if (strlen("abc") - strlen("abcdef") >= 0)
	{
		printf(">\n");
	}
	else
	{
		printf("<\n");
	}
	return 0;
}

输出:

在这里插入图片描述

分析:

  • 错误的思路:strlen(“abc”)返回值=3 strlen(“abcdef”)返回值=6。3-6=-3<0成立,不应该输出<。其实这样想是错的

  • 正确思路:其实strlen返回的数据类型是size_t,也是就是unsigned int类型的,因为unsigned int - unsigned int得到的还是个unsigned int类型的值,所以就变成了unsigned int -3的。又因为unsigned int的取值范围是>=0恒成立的。所以说unsigned int -3最终还是被分解为大于0的数,所以打印>

4、浮点型在内存中的存储

首先:一个数据以整型的方式进行存储,那么读取的时候还应该以整型的方式取读取。同理一个数据以浮点型的方式进行存储,那么读取的时候还应该以浮点型的方式取读取。切不可混乱使用,比如:一个数据以整型的方式进行存储,读取的时候以浮点型的方式进行读取,这样是不可取的。

4.1、浮点数存储的规则

4.1.1、存放浮点数

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表示指位数。

浮点数存储只要是存储S、M、E等数字就可以把一个浮点数给存储下来。

示例一:

                       //5的二进制数值是101           //2^2--->2的2次方,第一个2是二进制,
                                                   //第二个2是小数点向左移动了2位
                                                  //123.45科学计数法--->1.23*10^2
V = 5.0f   ---转为二进制--->  101.0 ---转为科学计数法--->   1.01*2^2

  = (-1)^0 * 1.01 * 2 ^ 2
  
        S=0、M=1.01、 E=2

示例二:V = 9.5f这个怎么表示呢?是这样的吗:1001.101?这个写法是错误的。

应该写为:1001.1 因为小数点后面的权重为,2的-1次方,2的-2次方,2的-3次方…

因为2的-1次方正好是0.5,所以说二进制的.1就是十进制的.5。

V = 9.5f
  = 1001.1
  = 1.0011 * 2 ^ 3
  = (-1)^0 * 1.0011 * 2 ^ 3
  =     S=0、 M=1.0011、  E=3

经过两个示例我们可以意识到,存储浮点数,只要把S、M、E等存储下来,就可以把浮点数存储下来。

但是我们要知道有些浮点数是存储不准确的,比如:V = 9.6f 这个0.6无论如何总会有偏差的。

IEEE 754规定:

对于32位的浮点数,最高的1位是符号位S,接着的8位是指数E,剩下的23位为有效数字M。

在这里插入图片描述

对于64位的浮点数,最高的1位是符号位S,接着的11位是指数E,剩下的52位为有效数字M。

在这里插入图片描述

上图说明:要把S、M、E的值全部转为二进制,然后拼凑在一起得到一个32bit/64bit的二进制序列,把这个二进制序列存起来,那就是该小数的值。

那具体S、M、E是怎么存的呢?如下:

S其实很好存储,无非就是0或者1。复杂的是M和E。

IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别的规定:

  • 有效数字M:

在这里插入图片描述

  • 指数E,情况比较复杂:

在这里插入图片描述

指数E:简而言之就是,如果是float类型的,真实指数E需要+127(中间值)得到一个存储E,这个+127之后得的存储E的结果才是存储到内存里面的E。

如果是double类型的,真实E需要+1023得到一个存储E,这个+1023之后得的存储E的结果才是存储到内存里面的E。

那么下面来写个程序验证以下:

#include <stdio.h>

int main()
{
	float f = 5.5f;
	//5.5
	//101.1
	//1.011 * 2 ^ 2
	//s=0,m=1.011,e(真实的e)=2
	//s取0    m只取小数部分:011        e+127=129   --->   10000001 --->得到存储e
	//好的,现在把s、e、m按照顺序拼凑在一起:010000001011
	//得到了:010000001011,但是这个不够呀,folat数32bit位的,所以其余的补0
	//最终得到该小数的存储:01000000101100000000000000000000
	//为了等会便于观察,把每4个二进制位转化为1个16进制位:0x40b00000
	//调试,在是否存储的是0x40b00000。(这里存在大小端问题,所以可能是倒放的数据)
	return 0;
}

在这里插入图片描述

4.1.2、拿取浮点数数据

指数E从内存中取出还可以再分为三种情况:

  • E不全为0不全为1的情况下拿取该小数(常规情况,怎么放进去的,然后反向操作在拿出来即可。)

    这个还拿上面的那例子演示:

    最终得到该小数的存储:01000000101100000000000000000000
    S部分为0
    E部分为10000001---129,然后-127 得到2
    M部分为01100000000000000000000,然后在前面添个1,变成:1.01100000000000000000000
    
    之后拿取该小数:(-1)^0 * 1.01100000000000000000000 * 2 ^ 2。
    
    

在这里插入图片描述

  • E为全0

在这里插入图片描述

  • E为全1

在这里插入图片描述

4.1.3、举个例子

#include <stdio.h>

int main()
{ 
     //以整数类型进行存储
	int n = 9;    
	float* pFloat = (float*)&n;
    //以整型存储,以整型读取,没问题。
	printf("n的值为:%d\n", n);
    //以整型存储,但是以浮点型读取,这个结果和常规的不一样
	printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);
    //以浮点数类型进行存储
	*pFloat = 9.0;    
    //以浮点型存储,以整型读取,这个结果和常规的不一样
	printf("num的值为:%d\n", n);
    //以浮点型存储,以浮点型读取,没问题。
	printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

输出:

在这里插入图片描述

分析:

  • 第一个printf()不在解释很常规。

  • 第二个printf():9的补码:00000000000000000000000000001001,现在以*pFloat来看,左侧的补码二进制序列是folat类型的,所以S=0、M=00000000000000000001001,E全为0的情况,E=-126。

    那计算值:S(0)00000000000000000001001 * 2 ^ (-126) = 00=0,所以最终结果为0。

  • 第三个printf():*pFloat = 9.0;

    ​ = 1001.0

    ​ = 1.001 * 2 ^ 3

    ​ = (-1)*0 * 1.001 * 2 ^ 3 —> S=0、M=1.001、E=3

    ​ 真实E+127=存储E=130—>100000010

    ​ M—>00100000000000000000000

    ​ = 010000001000100000000000000000000

    好了,现在以n的角度打印,010000001000100000000000000000000,最高位是0,那是补码呀,然后就直接计算出了值,最终值为:1091567616

  • 第四个printf():以浮点型存储,以浮点型读取,所以结果就是9.00000000。

5、顺带说一点:尽管整型和浮点型的存储形式不同,但是整型和浮点型都存在大小端的顺序问题。

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