C语言深度剖析数据在内存中的存储

重点

  1. 数据类型详细介绍
  2. 整形在内存中的存储: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. 数据类型介绍

  1. char //字符数据类型
  2. short //短整型
  3. int //整形
  4. long //长整型
  5. long long //更长的整形
  6. float //单精度浮点数
  7. double //双精度浮点数

类型的意义:

  1. 使用这个类型开辟内存空间的大小(大小决定了使用范围)。
  2. 如何看待内存空间的视角。

1.1 类型的基本归类:

整形家族:
char (ASCII值)
unsigned char
signed char
short
unsigned short [int]
signed short [int]
int
unsigned int
signed int
long
unsigned long [int]
signed long [int]
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浮点数家族:
float
double

构造类型:

数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

数组类型:就是除去数组名之外的
int arr[10] = { 0 };的数组类型是int [10]

int main()
{
    
    
	int a = 10;
	int arr[10] = {
    
     0 };
	printf("%d\n", sizeof(a));//4
	printf("%d\n", sizeof(int));//4

	printf("%d\n", sizeof(arr));//40
	printf("%d\n", sizeof(int [10]));//数组类型大小40
	return 0;
}

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指针类型

int *pi;
char *pc;
float* pf;
void* pv;

空类型:

  1. void 表示空类型(无类型)
  2. 通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型。
void test()
{
    
    
	printf("hehe\n");
}
int main()
{
    
    
	test();
	test(100);
	return 0;
}

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2. 整形在内存中的存储

  1. 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。
  2. 那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的?
    比如:
int a = 20;
int b = -10;

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有三种表示方法,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”,而数值位负整数的三种表示方法各不相同。
原码
直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。
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了。
补码
反码+1就得到补码。
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1. 正整数的原码、反码、补码相同。
2. 对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码。

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2.2 大小端介绍

大端(存储)模式,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(存储)模式,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。
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vs2019就是小端字节序存储模式

练习: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。

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2.3练习:

#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; }

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2.

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

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3.

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

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4.

int main()
{
    
    
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	//按照补码的形式进行运算,最后格式化成为有符号整数
	return 0;
}

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5.

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

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6.

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

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7.

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

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3. 浮点型在内存中的存储

3.1 浮点数存储规则

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V可以表示成下面的形式:

  1. (-1)^S * M * 2^E
  2. (-1)^s表示符号位,当s=0,V为正数;当s=1,V为负数。
  3. M表示有效数字,大于等于1,小于2。
  4. 2^E表示指数位。

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。
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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。
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IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别规定。
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。

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为8位,它的取值范围为0255;如果E为11位,它的取值范围为02047。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。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到23位00000000000000000000000,则其二进制表示形式为:

0 01111110 00000000000000000000000

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);
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3.2应用

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; }

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