C语言——数据在内存中的存储

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了C语言——数据在内存中的存储。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

本章重点

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

目录

1. 数据类型介绍

1.1 类型的基本归类

2. 整形在内存中的存储

2.1 原码、反码、补码

2.2 大小端介绍

2.3 练习

2.4 unsigned char 和 signed char的区别

3. 浮点型在内存中的存储

3.1 一个例子

3.2 浮点数存储规则


1. 数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型:

C语言——数据在内存中的存储

 以及他们所占存储空间的大小。

其中int表示的数据范围:

C语言——数据在内存中的存储

 short表示的数据范围:

C语言——数据在内存中的存储

 char表示的数据范围:

C语言——数据在内存中的存储

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:

C语言——数据在内存中的存储

浮点数家族:

C语言——数据在内存中的存储

构造类型:

C语言——数据在内存中的存储 构造类型也是自定义类型

指针类型

C语言——数据在内存中的存储

空类型:

void 表示空类型(无类型)

通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型

2. 整形在内存中的存储

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。

那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的?

下来了解下面的概念:

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法,即原码反码补码

三种表示方法均有符号位数值位两部分,符号位都是用0表示“正”,用1表示“负”,而数值位

正数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同。

原码

直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。

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反码。

补码

反码+1就得到补码。

以10和-10为例,我们来写出它的原码,反码和补码:

4个字节有32个比特位,因此一个int类型有32个二进制位

10:

C语言——数据在内存中的存储

 -10:C语言——数据在内存中的存储

 通过调试,我们可以看到10和-10在内存中的存储(以16进制的形式):C语言——数据在内存中的存储

 可以证明内存中存的是补码,而且是倒着存放的

对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码。

为什么呢?

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。

假设我们用原码来计算1-1,可以发现结果是错的:

C语言——数据在内存中的存储

 用补码的方式来计算:

C语言——数据在内存中的存储

2.2 大小端介绍

什么大端小端:

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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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 16bit 的 short 型 x ,在内存中的地址为 0x0010 , x 的值为 0x1122 ,那么 0x11 为 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 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。

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(10分)

//小端返回1 大端返回0
int check_sys()
{
	int a = 1;
	if (*(char*)&a == 1)
		return 1;
	else
		return 0;
}
int main()
{
	int sz = check_sys();
	if (sz == 1)
	{
		printf("小端存储");
	}
	else
	{
		printf("大端存储");
	}
	return 0;
}

2.3 练习

1.下面代码输出结果是什么:

C语言——数据在内存中的存储

 分析:C语言——数据在内存中的存储

 最终输出结果:

C语言——数据在内存中的存储

2.下面代码输出结果是什么:

 C语言——数据在内存中的存储

 分析:

C语言——数据在内存中的存储

C语言——数据在内存中的存储

 3.下面代码输出结果是什么:

C语言——数据在内存中的存储

  分析:

C语言——数据在内存中的存储

C语言——数据在内存中的存储

 4.下面代码输出结果是什么:C语言——数据在内存中的存储

  分析:

C语言——数据在内存中的存储

C语言——数据在内存中的存储

  5.下面代码输出结果是什么:

C语言——数据在内存中的存储

 这段代码会输出一个无限循环,因为无符号整型 i 的取值范围是 [0, 2^32-1],而当 i 等于 0 时,i-- 会导致 i 变成 2^32-1,而不是 -1。因此,循环条件 i >= 0 总是成立,导致无限循环。

C语言——数据在内存中的存储

6.下面代码输出结果是什么:

C语言——数据在内存中的存储

C语言——数据在内存中的存储


C语言——数据在内存中的存储

 7.下面代码输出结果是什么:

C语言——数据在内存中的存储

 结果是死循环的打印”hello world"

原因:unsigned char 表示的范围为0~255

由于i是无符号字符型变量,所以当它的值达到255时会发生溢出,i的值会从255变为0,程序会一直循环输出"hello world",这个过程会一直持续下去。

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2.4 unsigned char 和 signed char的区别

C语言标准并没有规定char是有符号char还是无符号char,但再VS编译器中char默认为有符号char

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 当unsigned char和 signed char在不断地加1时,它们有如下的变化规律:C语言——数据在内存中的存储

同理,我们还可以得出:

C语言——数据在内存中的存储

 

 

3. 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

3.1 一个例子

#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;
}

 程序输出结果:C语言——数据在内存中的存储

3.2 浮点数存储规则

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。

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。

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 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。

C语言——数据在内存中的存储

 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。

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。

以5.5为例:

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 我们在VS编译器上验证一下:

C语言——数据在内存中的存储

我们可以发现5.5在内存中的存储方式和我们分析出来的是一样的 。

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:

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 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);

以上就是浮点数的存储规则了。我们再来回顾之前那段代码:

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