【C语言】数据在内存中的存储详解

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详解。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。

一、什么是数据类型

我们可以把数据类型想象为一个矩形盒子,int、char 等类型 分别为不同的盒子 可以放着不同大小的东西(数据)(即所占存储空间的大小)
类型的的意义:
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。

二、类型的基本归类

【C语言】数据在内存中的存储详解,c,c语言,开发语言
注意
字符在内存中存储的是字符的ASCII码值,ASCII码值为整型,所以字符归类到整型家族。
char 是否为signed char 其中C语言标准没有规定,取决于编译器。

三、 整型在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。
接下来 我们来看看数据在内存中开辟的空间是如何存储的

1.原码、反码、补码

首先我们须知计算机中的整数有三种表示方法:原码、反码、补码
这三种表示方法都有 符号位(一般在二进制数的最高位,0 表示 正,1表示 负)数值位两部分。

  • 正整数的原、反、补码都相同
  • 负整数的三种表示方法是不同的
    • 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
      注意对于整数来说 数据存放在内存中其实存放的是补码
      原因是 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。

2.大小端

(1)什么是大小端

前提:
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大小端字节序指的是数据在电脑上存储的字节顺序

  • 大端(存储)模式,指的是数据的低位存储在内存的高地址中 ,而数据的高位存储在内存的低地址
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  • 小端(存储)模式,指的是数据的低位存储在内存中的低地址中,数据的高位存储在内存的高地址中巧记低低高高
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    其中在 VS2022中,就是采用的小端模式
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(2)为什么会有大小端

因为在计算机系统中,以字节为单位,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】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KEILC51 则为大端模式。很多ARMDSP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
【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。

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#include<stdio.h>
int check_sys() 
{
	int a = 1;
	char* p = (char*) & a;//拿到一个字节地址

	if (*p == 1)
		return 1;
	else
		return 0;

	//可以有优化 return *( (char*)&a ); 
}
int main() 
{
	if (check_sys())
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");

	return 0;
}

四、浮点型在内存中的存储

常见的浮点数:

  • 3.141592
  • 1E10 这个E相当于指数 科学计数法 1 * 10^10 1乘10的10次方
    浮点数家族包括: float、double、long double 类型。
    浮点数表示的范围(下面会有详细说明):(在vs中,#include<float.h> 转到定义可以查看)下面的图片如果理解困难没有关系
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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)^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

【例】10进制:9.0 写成二进制 1001.0 改写为 1.001* 2^3改为 (-1) ^0 * 1.001 * 2 ^ 3。S = 0,M = 1.001,E = 3。
IEEE标准提供了两种主要的浮点数格式: 单精度(32位)和双精度(64位)。分为三个部分:符号、指数和小数。指数部分决定了浮点数的范围。而小数部分的位数决定了精度。(见下图)

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。
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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注意IEEE754对有效数字M和指数E还有其他规定

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。
有效数字M
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。
指数E
E为一个无符号整数,如果E为8位(0~255),E为11位(0 ~2047)。又因为科学 计数法法中的E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。
接下来 讨论

  • E全为1时,当M全为0时,表示无穷大(正负取决于符号位S)
  • E全为0时,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非全0非全1时,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。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

五、练习

下面代码输出什么?

1.

#include<stdio.h>
int main() 
{
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("a=%d,b=%d,c=%d\n",a,b,c);
	return 0;
}

【结果】a=-1,b=-1,c=255
解析
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2.

#include<stdio.h>

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

【结果】4294967168
解析
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3.

#include<stdio.h>

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

【结果】4294967168
解析
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4.

#include<stdio.h>

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

【结果】-10
解析
按照补码的形式进行运算,最后格式化成为有符号整数
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5.

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

【结果】死循环
解析
unsigned int (范围 0~4294967295)永远不可能小于0
for 循环的 判断条件是 i >= 0

6.

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

【结果】255
解析
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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;
}

【结果】死循环打印hello world
解析
unsigned char 范围 为 0~255 所以此 i 的取值范围不可能大于255,for循环的判断部分进而不会停下文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-640401.html

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