C语言——内存中数据存储的详解（整型与浮点型）

news2024/11/17 21:19:29

文章目录

  • 1.数据类型的详细介绍
    • 1.1数据类型介绍
    • 1.2类型的基本归类
      • 整型类型
      • 浮点类型
      • 构造类型
      • 指针类型
      • 空类型
  • 2.整型在内存中的存储
    • 2.1原码、反码、补码
    • 2.2大小端存储
      • 大小端存储存在的意义
      • 编写一个程序判断当前机器的存储方式是大端存储还是小端存储
    • 2.3经典习题
      • 练习一
      • 练习二
      • 练习三
      • char类型取值范围
      • 练习四
      • 练习五
      • 练习六
  • 3.浮点型在内存中的存储
    • 3.1浮点型与整型在内存中存储方式不同的举例
    • 3.2浮点型数据的存储规则
  • 总结

1.数据类型的详细介绍

1.1数据类型介绍

C语言中有多种的内置数据类型：

char //字符类型
short //短整型
int //整型
long //长整型
long long //更长的长整型
float //单精度浮点型
double //双精度浮点型

在这里插入图片描述

补充：long在当前VS2019的x86环境下为4个字节，而在当前VS2019的x64的环境下是8个字节。

数据类型存在的意义：

数据类型决定了该类型定义变量时，变量的取值范围大小（所占内存的空间大小，单位是字节）。

1.2类型的基本归类

整型类型

char
	signed char //有符号字符类型
	unsigned char //无符号字符类型
short
	signed short //有符号短整型
	unsigned short //无符号短整型
int 
	signed int //有符号整型
	unsigned int //无符号整型
long 
	signed long //有符号长整型
	unsigned long //无符号长整型
long long
	signed long long //更长的有符号长整型
	unsigned long long //更长的无符号长整型

补充：

1、 因为字符类型(char)数据在内存中是以ASCII码值来进行存储的，所以char类型本质是整型数据类型。
2、在C语言标准中，char类型数据在存储时，默认为signed char 还是 unsigned char 并没有明确指定，所以char类型的数据默认的具体类型是取决于编译器的（大部分编译器下，char类型的默认类型为signed char）。

浮点类型

float //单精度浮点型
double //双精度浮点型

构造类型

1、数组类型： c int[10] 数组类型 char[5] 数组类型
2、结构体类型：struct
3、枚举类型：enum
4、联合体类型：union

补充：
int[10]表示，一组由10个整型类型元素组成的集合。
char[5]表示，一组由5个字符型类型元素组成的集合。

指针类型

int* pi; //整型指针
char* pc //字符型指针
short* ps //短整型指针
float* pf//单精度浮点型指针
void* pv//空类型指针

空类型

空类型(无类型)通常用void表示。

1.函数的返回类型为空`void test();

2.函数的参数为空`void test(void);

3.指针变量的类型也可以用void进行表示。

2.整型在内存中的存储

一个变量的创建需要在内存中开辟一块空间，开辟空间的大小是根据数据类型来决定的。下面部分将围绕整型类型数据在内存中的如何存储来讲。

int main()
{
	int a = 10;
	int b = -10;
	return 0;
}

这里创建了两个整型变量，在内存中开辟了8个字节空间来存放它们的值。那它们在内存中储存值的方式到底是什么呢？

2.1原码、反码、补码

计算机表示整数的二进制有三种方式分别是：原码、反码以及补码。三种方法均有符号位和数值位两个部分，符号位即二进制数据的最高位，1表示负数，0表示非负数。正数的原码、反码、补码都相同，而负数的反码、补码通常需要计算才能获得。

负数的原码：
符号位为1，其余直接将数据转译成二进制形式得到的就是原码。
负数的反码：
符号位不变，其他位按位取反得到的就是反码。
负数的补码
反码+1得到的就是补码。

> 在计算机中，整型数据在内存中存储的是补码。
1、因为只有补码可以将符号位和数值位进行统一处理。
2、因为CPU中仅集成了加法器，通过补码可以模拟出减法的效果。而且原码和补码的相互转化方法是相同的，所以不需要额外的硬件电路。

在这里插入图片描述
打开调试界面中的内存窗口，输入&a找到a的地址，可以发现a = 10；在内存中储存的数据通过16进制形式表示的值为：0a000000。接下来按F10，让代码继续往下走
在这里插入图片描述
通过内存窗口，可以看到&b中的值为f6ffffff。这是因为-10在内存中的补码为11111111111111111111111111110110，那为什么在内存中数据的值是倒序的形式呢？

2.2大小端存储

为什么在VS2019的环境下整型数据在内存中是以倒序的形式存储呢？这涉及了大小端类型的存储方式。

大端存储：数据的高位储存在内存中的低地址处，数据的低位储存在内存中的高地址处。
小端存储：数据的低位储存在内存中的低地址处，数据的高位储存在内存中的高地址处。
在这里插入图片描述

大小端存储存在的意义

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 32bit 的 int 型 a ，在内存中的地址为 0x0012ff40 ，a 的值为 0x11223344 ，那么 0x11 为
高字节， 0x44 为低字节。对于大端模式，就将 0x44 放在低地址中，即 0x0012ff40 中， 0x11 放在高
地址中，即 0x0012ff43 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。

编写一个程序判断当前机器的存储方式是大端存储还是小端存储

思路：首先先创建一个整型变量a，遍历a变量四个字节，根据第一个字节内存放的值来判断机器的大小端即可。如何一个字节一个字节的访问内存呢？这就需要通过指针变量来进行访问，定义一个char*指针来指向int a变量第一个字节中的值，解引用操作后判断即可。

#include<stdio.h>


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

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
根据调试界面中的内存窗口和程序运行的结果可以看到当前环境下为小端存储。

2.3经典习题

练习一

分析下面代码，判断a,b,c分别输出的内容是什么？

#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;
}

解题思路：依题意可知，此处a和b为signed char类型的变量，初始化的值为-1。c为unsigned char类型变量，初始化值也是-1。需要注意的是printf()函数中占位符为%d。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

注意：unsigned 修饰的数据类型为无符号数据类型，无符号数的符号位是作为有效位来使用的。无符号数在计算机中都是以正数的形式进行存储的。

练习二

分析面的代码，判断a输出的值是多少？

#include <stdio.h>

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

解题思路：需要注意的是printf函数输出信息的占位符是%u，也就是无符号整型的格式进行输出，所以我们需要计算a的补码。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
因为-128的补码是1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000，printf是以%u的形式进行打印，也就是说此时编译器认为1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000这串补码是一个无符号数的补码，所有的位都是有效位，这里产生的数据类型提升所以，打印出来的结果是4294967168。那如果是以%d的形式打印cahr a = -128的话结果是多少呢？可以把你的答案输出在评论区~

练习三

分析下面代码，判断输出的值是多少？

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

解题思路：根据题意可以发现这里依旧是以%u的格式进行打印。但是这里定义的字符类型a的值为128，依旧是通过补码进行打印
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

char类型取值范围

这里可能你会产生这样的疑惑，为什么同样是char类型128和-128按照%u格式进行打印结果是一样的呢？
在这里插入图片描述
所以char a = 128在内存中存的是127+1的数，而128在一个cahr类型变量中是存放不下的。因为128的有符号表示形式为010000000，这需要9个bit位才能存放，而char的大小是8个bit位，这里也产生了数据截断。内存中此时存储的值为10000000，即-128。

练习四

分析下面代码，判断输出的值是多少？

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

解题思路;题目中i+j，需要根据补码来进行加法运算，所以我们求出两个补码的和，并以%d的格式进行输出即可求出值。
在这里插入图片描述
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练习五

程序运行结果什么？

int main()
{
    unsigned int i;
    for (i = 9; i >= 0; i--)
    {
        printf("%u\n", i);
    }
    return 0;
}

解题思路：根据代码可知，循环控制变量i为无符号数，无符号数恒大于等于0，故程序死循环输出i的值。

程序运行结果如下：
在这里插入图片描述

注意：无符号数的值恒大于等于0.

练习六

分析代码，判断字符数组的长度

#include<stdio.h>

int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for (i = 0; i < 1000; i++)
    {
        a[i] = -1 - i;
    }
    printf("%d", strlen(a));
    return 0;
}

解题思路：a[]数组是以-1为起点开始进行遍历数组，直到i==1000。strlen函数计算长度是计算\0之前字符的个数。
在这里插入图片描述

因为’\0’的ASCII码值为0，所以strlen（a[i]）的值为-1到0的也就是2的8次方-1个字符，即255
在这里插入图片描述

3.浮点型在内存中的存储

在C语言中常见的浮点数有：3.14159、2.71828等。常见的浮点数数据类型有float和double。

3.1浮点型与整型在内存中存储方式不同的举例

int main()
{
	int n = 9;
	float* pf = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pf的值为：%f\n", *pf);
	*pf = 9.0;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pf的值为：%f\n", *pf);
	return 0;
}

在这里插入图片描述
通过运行结果不难发现，整型和浮点型数据在内存中的存储方式是不同的。下面部分将探讨浮点型数据在内存中的存储方式。

3.2浮点型数据的存储规则

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可以表示成下面的形式：
(-1)^S * M * 2^E
(-1)^S，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，E表示指数位。
补充：此处的 ^ 符号仅表示次方，并不表示是C语言中的异或操作符。
举个简单的例子：十进制浮点数6.0，写成二进制就是110.0。相当于是1.10*2^2。参照上面的 (-1)^S * M * 2^E，可以得到S=0，E=2，M=1.10。而十进制浮点数-6.0，写成二进制就是-110.0。S=1，E=2，M=1.10。

IEEE754规定：
对于32位浮点数，最高位为S，然后接着是8位的指数位E，剩下的23位为有效位M。
在这里插入图片描述
对于64位浮点数，最高位为S，接着是11位的指数位E，剩下的52位为有效位M
在这里插入图片描述

IEEE754对于有效位M和指数位E还有一些特殊的规定：
M：IEEE752规定，在计算机储存有效位M时，默认的第一位都是1，因此可以把1舍去，只保存小数点后的数，这样可以多提升一位的精度。例如储存1.01时，第一位的1被舍去，此时M中储存的值为01，剩余的位补0。当需要读取时，再把第一位的1给补上即可。
E：首先E是一个无符号的整数（unsigned int）。这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0 ~ 255；如果E为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的E是10，所以保存成32位浮点数时，必须保存成10+127=137，即10001001
当E从内存中取出时，还分一下三种情况：
E不为全0或者不为全1时：此时浮点数将采用以下规则，E的计算值此时为1-127（1-1023），得到真实值，同时在有效位M加上1。例如：5.5,转化成二进制表示为101.1，再转化成科学计数法表示为1.0112^2，S=0，E=129，M=011，剩余有效位补0。故二进制为010000001011000000000000000000——>十六进制：40 b0 00 00
在这里插入图片描述
E为全0：
当E为全0时，指数位真实数为（1-123或1-1023）。有效数字M不再加上第一位的1，而是还原为0.xxxxxx的小数。这样做是为了表示正负无穷小，以及接近于0的很小的数字。
E为全1：
若M有效位为全0，则表示正负无穷大。

回头看上面的例题：

	int n = 9;
	float* pf = (float*)&n;
	//此时，n的地址内存放的值为：00000000000000000000000000001001（小端存储）
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pf的值为：%f\n", *pf);.
	//根据浮点数的取出规则：此时的S=0，E=-126，M=0
	所以输出的是0.000000
	*pf = 9.0;
	//此时通过解引用操作将浮点数9.0赋给pf指针指向空间
	//  1.001*2^3——01000001000100000000000000000000
	// 在内存中存放的值（16进制）为41 10 00 00
	//通过%d的格式01000001000100000000000000000000打印该数
	printf("n的值为：%d\n", n);//结果为1,091,567,616
	printf("*pf的值为：%f\n", *pf);//结果为9.0
	return 0;

首先，将 0x00000009 拆分，得到第一位符号位s=0，后面8位的指数 E=00000000 ，最后23位的有效数字M=000
0000 0000 0000 0000 1001。

由于指数E全为0，所以符合E为全0情况。因此，浮点数V就写成： 　　 V=(-1)^0 ×
0.00000000000000000001001×2(-126)=1.001×2(-146) 显然，V是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000。

当*pf =9.0操作完成时，此时内存里储存的二进制补码为：01000001000100000000000000000000。以%d形式打印就是 1091567616。

总结

以上就是我对整型数据和浮点型数据在内存中存储的全部总结。感谢你的阅读。如果对你有帮助，请不要吝啬你的三连，因为你的支持就是我最大的动力。最后祝愿你在学习编程的道路上越走越顺。

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