【进阶C语言】数据在内存中的存储

一、数据类型的介绍

1.整形家族

（1）char--字符型

单位：一个字节，包括unsigned char和signed char

(2)short--短整形

单位：两个字节，包括unsigned short[int]和signed short[int]

(3)int--整形

单位：四个字节，包括unsigned int和signed int

(4)long--长整型

单位：4/8个字节，包括unsigned long和signed long

2.浮点型家族

（1）float--单精度浮点数

单位：四个字节

（2）double--双精度浮点数

单位：八个字节

3.构造类型

（1）数组类型

（2）结构体类型struct

（3）枚举类型enum

（4）联合类型union

4.指针类型

（1）int *pi--整形指针

（2）char *pc--字符型指针

（3）double *pf--双精度指针

（4）void *pv--空类型指针

5.空类型

二、整形数据在内存中的存储方式

前言：整形在内存中存储的是补码的二进制序列（在初阶C语言的操作符1中有详解介绍原、反、补码）

1.原、反、补码

（1）概念介绍

整数的二进制表示形式有原码、反码和补码三种，对于有符号的数据类型来说，这三种表示方法均可以分为符号位和数值位两部分，第一位数字（最高位）表示符号位，不差于数值大小的表示，正数用0表示，负数则是用1表示。若是无符号数据类型，则没有符号位，每一位都参与数值的表示。

（2）原码

2.补码在内存中的存储方法

（1）使用补码存储的意义

官方定义：

民间定义：方便转换和计算，如计算1-1的时候

（2）存储顺序

一个内存单元为一个字节，一般数据在内存中的显示形式都是十六进制，四个二进制数字=一个十六进制，八个二进制=一个字节。

代码：

#include
int main()
{
    unsigned int a=-10;
	int b = -10;
	return 0;
}

a的补码：11111111 11111111 11111111 11110110

b的补码：11111111 11111111 11111111 11110110

数据在内存中的表示图：

分析图：

      为什么在内存中的存储顺序是反着的呢？所以下面的大小端介绍会告诉你答案！

3.大小端介绍（*）

（1）官方定义

（2）大小端民间定义

我们知道：

     内存也是有顺序的，所以内存也就有高地址和低地址之分。

     数据的每位数字内容也是有大小之分的，如：个位、十位和百位。所以数据也就有了低字节位（最低位，如个位）和高字节位

引出概念： 

大端字节序储存：把一个数据的低字节位数据放在内存的高地址储存，数据的高字节位数据放在内存的低地址位储存。

小端字节序存储：把一个数据的低字节位数据存放在内存的低地址中，数据的高字节位数据存储在内存的高地址处。

      大小端的存储顺序是由编译器决定；而且对一个字节的数据没有作用

（3）简单实例操作

 代码：

#include
int main()
{
	int a = 0x11223344;//十六进制数字
	return 0;
}

数据在内存中存储：

（4）实战练习

题目：设计程序判断该机器的字节序

代码：

#include
int main()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*) & a;//只能访问一个字节
	if (*p == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

运行结果：

4.数据的存储与打印（*）--char类型

前言：我们已经知道了整形数据是以二进制的补码在内存中存储的，接下来我们更进一步了解他的打印方式（包括有符号和无符号的深度刨析），前面在操作符2中我们已略微了解到了一种方法：整形提升。

signed char--8个比特位，所以最大可以存的数字是-128-127

unsigned char--0-256

（1）char类型存储整形范围

 引例：

#include
int main()
{
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("a=%d\nb=%d\nc=%d\n",a,b,c);
	return 0;
}

运行结果：

为什么同样都是存储-1，结果却大相径庭呢？接下来让我们走入char类型的世界

---

char类型大介绍：

   首先，char内存占一个字节，一个字节=8个bit，所以就只能存放8个二进制位，所以可以存放的数据大小有范围。

对于signed char(有符号的char):

由此可知，存入char的整形数据的范围是：-128--127。

当然超过这个范围的数据也可以存进去，但是实际的效果还是在：-128--127

对于unsigned char(无符号char)：

现在你已经知道了char类型的范围，接下来一起进入实战模拟吧。

（2）实战模拟

（1）实战1 

#include
int main()
{
	unsigned char a = -1;
	char b = 128;
	char c = 128;
	printf("a=%d\nb=%d\nc=%u\n",a,b,c);
	return 0;
}

运行结果：

 %d：以十进制的形式，打印有符号的整数

 %u：以十进制的形式，打印无符号的整数

 结果分析：

第一步：分析存入各个变量中的数据

第二步：分析打印的过程

（2）实战2

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

运行结果：

 这个程序不应该执行九次就停止运行了吗，怎么还能得出这么大的数字而且还死循环了。

（3）实战3

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

运行结果：

strlen是计算字符串长度的，当遇到\0的时候才会停下。结果显示该数组的大小为255

三、浮点型数据在内存中的存储方式

      浮点数其实就是小数，精度越高，小数的位数越高。浮点数也是以二进制的形式存储的，但不是像整形数据一样以补码的形式存储。

1.认识浮点数

（1）浮点数类型分类

float---单精度浮点数

double---双精度浮点数

long double---长精度浮点型

（2）浮点数形式

直接形式：3.14159

科学计数法的形式：1E54==1.0*10^54

2.浮点数转换规则

（1）定义（表示规则）

自我描述：任何一个二进制浮点数V都可以这么表示

表达式：V=(-1)^S*M*2^E

(-1)^S表示符号位，S为次方；当S=0，V为正数；当S=1，V为负数。

M表示有效数字，1<=M<2

2^E表示表示指数位

（2）浮点数的二进制表示

例如：十进制的：10.5；转化成二进制：1010.1

（3）思路分解

十进制：10.5

二进制：1010.1

转换成浮点数表示形式：V=(-1)^S*M*2^E

3.浮点数存储规则

弄清楚了浮点数是怎么转换成二进制的，接下来了解二进制浮点数是怎么存到内存中的。

（1）存储位序

根据公式：V=(-1)^S*M*2^E。我们只需要将S、M和E存入内存中即可（以二进制存入）

规则：

      32位(bit)的浮点数（如：float），最高的一位是符号位S，接着的8位是指数E，剩下的23位为有效数字M。

      64位（bit）的浮点数（如：double），最高的一位是符号位S，接着的11位是指数位E，剩下的52位为有效数字M。

图示：

32位：

64位：

（2）规定

M：因为1<=M<2，所以M可以写成：1.xxxxxx的形式，其中xxxxxx表示小数部分。由于M的第一个数默认为1，所以1可以省略掉，只需要把xxxxxx存入内存中即可，后面不够自动补0。当读数的时候，再把1加回去。

E：E是一个无符号整数，但是E会出现有负数的情况。所以：对于存入内存E的真实值，必须加上一个中间数。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。

例如：2^10，这个E=10，所以保存成32位浮点数时，必须保存成10+127=137，即10001001。

4.浮点数取出规则

取出的时候注意两点，第一个就是M的值；重要的是第二个，取出时，指数E有三种情况（因为存进去的时候加了一个中间值），这些都是指在内存中的E。下面逐一介绍。

（1）E不全为0不全为1（常规情况）

这种情况比较简单，直接还原就可以。

规则：指数E的计算值减去127（或1023），得到真实值；再将有效数字M前面加上第一位的1。

（2）E全为0

当存在内存中的E为0时，说明存入前指数E为-127（或-1023），表明此浮点数是一个特别小的数字。

规则：此时的指数E=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，而是直接还原成0.xxxxxxx的小数。

目的：为了表示±0，以及趋于0的很小的数字。

（3）E全为1

当内存中的E为全1的时候，说明原值是一个极大的值，趋于无穷。

这时，如果有效数字M全为0，表示±无穷大，正负取决于S。

5.实例与错误案例

 （1）代码展示

#include
int main()
{
	int n = 9;
	float* p = (float*)&n;//将n的地址赋予p
	printf("%d\n",n);
	printf("%f\n", *p);
	
	*p = 9.0;//通过指针修改n的值
	printf("%d\n", n);
	printf("%f\n", *p);
	return 0;
}

结果展示：

为什么会有作业的结果呢？这正是由于整数和浮点数的存储方式和取出不一样

（2）结果分析