c-语言->数据在内存的存储

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前言

目的:学习整数在内存的储存,什么是大小端,浮点数的储存。

1. 整数在内存中的存储

在讲解操作符的时候,我们就讲过了下⾯的内容:

整数的2进制表⽰⽅法有三种,即 原码、反码和补码。

正整数的原、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得到的就是原码。
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,补码也可以取反+1得到源码。
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”,⽽数值位最
⾼位的⼀位是被当做符号位,剩余的都是数值位。
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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。

2. ⼤⼩端字节序和字节序判断

当我们了解了整数在内存中存储后,我们调试看⼀个细节:
 
#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 0x11223344;
 
 return 0;
}

调试一下,我们可以看到在a中的 0x11223344 这个数字是按照字节为单位,倒着存储的。

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2.1 什么是⼤⼩端?

其实超过⼀个字节的数据在内存中存储的时候,就有存储顺序的问题,按照不同的存储顺序,我们分 为⼤端字节序存储和⼩端字节序存储,下⾯是具体的概念:
1.⼤端(存储)模式:是指数据的低位字节内容保存在内存的⾼地址处,⽽数据的⾼位字节内容,保存 在内存的低地址处。
2.⼩端(存储)模式:是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处,⽽数据的⾼位字节内容,保存 在内存的⾼地址处。
上述概念需要记住,⽅便分辨⼤⼩端。

 图片展示一下:

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 2.2 为什么有⼤⼩端?

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 位,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 short 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。
所以说vs是小端字节序环境。
那么如何利用程序判断是大端字节序还是小端字节序呢?
案例1:
//代码1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
     int i = 1;
     return (*(char *)&i);//下面分析:
}
int main()
{
     int ret = check_sys();
     if(ret == 1){
         printf("⼩端\n");
        }
     else{
         printf("⼤端\n");
     }
     return 0;
}

分析:

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下面我们 来做一些有关数据的储存的练习:

案例1:

#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;
}

输出结果:

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我们来一个一个分析:

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 b变量也是和a是一样的

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 案例2:

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

char的范围-128~127,那这个案例输出结果为:

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这是为什么呢?

分析如图:

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在这里我们记住两图,记住就行:

signed char:

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 unsigned char:

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案例3:

#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;
}

在这里上面那幅图就很重要了,输出结果是:

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字符串长度找到\0.也就是0

循环到255时在++,变成了0,所以是255.

案例4:

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

这个一看就是死循环,unsigned char的值范围0~255,所以会一直打印hello world。

案例5:

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

输出结果:

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也是死循环为什么?因为i = -1时,位无符号-1的无符号是一个很大的正数,所以死循环。

3. 浮点数在内存中的存储

常⻅的浮点数:3.14159、1E10等,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
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:
V   =  (−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,M是⼤于等于1,⼩于2的
2^  E 表⽰指数位

 举例来说:

⼗进制的5.0,写成⼆进制是 101.0 ,相当于 1.01×2^2
那么,按照上⾯V的格式,可以得出S=0,M=1.01,E=2。
⼗进制的-5.0,写成⼆进制是 -101.0 ,相当于 -1.01×2^2 。那么,S=1,M=1.01,E=2。
(1)对于32位的浮点数,最⾼的1位存储符号位S,接着的8位存储指数E,剩下的23位存储有效数字M
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(2)对于64位的浮点数,最⾼的1位存储符号位S,接着的11位存储指数E,剩下的52位存储有效数字M
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3.1浮点数存数的过程

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.
案例1:
#include<stdio.h>
int main()
{
    float  a = 5.5f; 
    return 0;
}

那么浮点数是如何储存进储存的呢?

不妨看看详细分析:

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3.2浮点数取的过程 

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 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1.0*2^(-1),其 阶码为-1+127(中间值)=126,表⽰为01111110,⽽尾数1.0去掉整数部分为0,补⻬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。
0   00000000   00100000000000000000000
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)
0   11111111   00010000000000000000000
好了,关于浮点数的表⽰规则,就说到这⾥。
来看一道练习案例1:
#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("n的值为:%d\n",n);
     printf("*pFloat的值为:%f\n",*pFloat);
     return 0;
}

输出结果:

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这是为什么呢?来一个一个分析:

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 所以不要把浮点数和正数打印错了。

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