C语言进阶—深度剖析数据在内存中的存储

1. 数据类型详细介绍

char // 字符数据类型

short // 短整型

int // 整形

long // 长整型

long long // 更长的整形

float // 单精度浮点数

double // 双精度浮点数

//C 语言有没有字符串类型？

1.类型的基本归类：

整形家族：

char 1字节 8 bit

字符在内存中存储的是字符的ASCII码值，ASCII码值是整型，所以字符类型归类到整形家族中

unsigned char 无符号

signed char 有符号

short

unsigned short [ int ]

signed short [ int ]

int

unsigned int

signed int

long

unsigned long [ int ]

signed long [ int ]

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

指针类型

int * pi ;

char * pc ;

float* pf ;

void* pv ;

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：原码、反码、补码

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

那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底

比如：

int a=20;

it b=-10;

我们知道为 a 分配四个字节的空间。

那如何存储？

下来了解下面的概念：

原码、反码、补码

计算机中的有符号数有三种表示方法，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

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。

正数的原、反、补码都相同。

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。

//int main()
//{
//	int a = -10;//4个字节 - 32bit位
//	//10000000 00000000 00000000 00001010（原码）
//	//11111111111111111111111111110101(反码)+1变补码
//	//11111111111111111111111111110110 (-10的补码)内存中存的就是补码
//	//1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110 第一位是符号位 其他为有效位
//	//f    f    f    f    f    f    f    6
//	//0x ff ff ff f6
//
//	unsigned int b = -10;
//	//11111111111111111111111111110110都是有效位
//	
//	return 0;
//}

//int main()
//{
//	//1-1
//	//1+(-1)
//	//00000000000000000000000000000001     
//	//10000000000000000000000000000001
//	//11111111111111111111111111111110    —1的反码
//	//11111111111111111111111111111111   —1的补码
//	//00000000000000000000000000000001    1的补码
//	//00000000000000000000000000000000    补码相加为0
//	//
//

3. 大小端字节序介绍及判断

1.什么大端小端：

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

2.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 8bit 。但是在 C 语言中除了 8bit 的 char 之外，还有 16bit 的 short 型， 32bit 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果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。

3.练习题

1.设计一个小程序来判断当前机器的字节序

#include <stdio.h>

//int check_sys()
//{
//	int a = 1;
//	char* p = (char*)&a;//取第一个字节
//
//	if (*p == 1)
//		return 1;
//	else
//		return 0;
//}

int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
	if (1 == check_sys())
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

2. %d 是10进制的形式打印有符号的整数 整型提升是按照符号位进行提升的 signed char 和char 是有符号，看符号位，高位补1

#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = -1;//char类型只取8个比特位
	//10000000000000000000000000000001
	//11111111111111111111111111111110
	//11111111111111111111111111111111
	//11111111 - a
	signed char b = -1;
	//11111111 - b
	unsigned char c = -1;
	//11111111 - c
	//
	printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
	//%d 是10进制的形式打印有符号的整数
	// 整型提升是按照符号位进行提升的
	// signed char 和char 是有符号，看符号位，高位补1
	// 1111111111111111111111111111111   补码  转换为原码后可得-1
	// unsigned char 无符号整型提升，高位补0
	//00000000000000000000000011111111   正数原码补码相同
	return 0;
}

3.%u 是10进制的形式，打印无符号的整数，无符号的数原码补码相同。 %d 是10进制的形式，打印有符号的整数

#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = -128;
	//10000000000000000000000010000000
	//11111111111111111111111101111111
	//11111111111111111111111110000000
	//10000000 - a
	//
	//11111111111111111111111110000000
	//
	printf("%u\n", a);
	//
	
	//%u 是10进制的形式，打印无符号的整数，无符号的数原码补码相同。
	//%d 是10进制的形式，打印有符号的整数
	return 0;
}

4. char 取8bit 100000000 有符号整型提升，1为符号位补1 这里a=-128结果一样

#include <stdio.h>
//char :-128~127

int main()
{
	char a = 128;
	//00000000000000000000000010000000  正数原码反码补码都相同
	// char 取8bit 100000000   有符号整型提升，1为符号位补1    这里a=-128结果一样
	//11111111111111111111111110000000 - a
	printf("%u\n", a);
  //截断
	return 0;
}

5.补码i+j的和 取反+1

6.无符号的i永远是大于等于0的，陷入死循环

#include <windows.h>

int main()
{
	unsigned int i;  //无符号的i永远是大于等于0的，陷入死循环
	
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
		Sleep(1000);
	}

	return 0;
}

7. strlen 统计的是\0之前出现的字符的个数

int main()
{
	char a[1000];
	//-1 -2 -3 -4 -5 .. -128 127 .. 6 5 4 3 2 1 0  
	//128 + 127 = 255
	int i;

	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;
	}

	printf("%d", strlen(a));
	//
	//strlen 统计的是\0之前出现的字符的个数
	//\0 - 0 \ddd
	return 0;
}

8.无符号的数容易死循环

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;//0~255

int main()
{
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
		printf("hello world\n");
	}

	return 0;
}

9.类比可得相关数据类型取值范围

4. 浮点型在内存中的存储解析

1.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

2.浮点数存储的例子

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;
}

输出的结果是什么呢？

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。

3.详细解读：

1.IEEE 754对有效数字M和指数E，还有一些特别规定

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。

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。 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。

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。

2.有效数字M和指数E

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。 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）； 好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。

3.解析前面的题目

int main()
{
	int n = 9;
	//0 00000000 00000000000000000001001
	//E=1-127=-126
	//M = 0.00000000000000000001001
	//S=0
	//(-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^-126
	//
	float* pFloat = (float*)&n;//int*

	printf("n的值为：%d\n", n);//9
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//? 0.000000....无限接近于0

	*pFloat = 9.0;
	//9.0
	//1001.0
	//(-1)^0 * 1.001 * 2^3
	//0 10000010 00100000000000000000000   //0为符号位 10000010为3+127=130     001后面补20个比特位
	//
	printf("num的值为：%d\n", n);//0 10000010 00100000000000000000000补码形式存入转10进制-> 1,091,567,616

	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.0

	return 0;
}