深度解析数据在内存中的存储

数据类型的基本归类：

前面我们已经学习了基本的内置类型,现在咱们基本归类一下

1. 整型家族：

char
unsigned char (无符号字符类型)
signed char (有符号字符类型)
short
unsigned short [int] (无符号字符类型)
signed short [int] (有符号字符类型)
int
unsigned int
signed int
long
unsigned long [int]
signed long [int]

2. 浮点型家族

float
double

3. 构造类型（自定义类型）

数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

4. 指针类型

int *p;
char *p;
float *p;
void *p;

• 空类型（无类型） void
• 通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型

整形在内存中的存储

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
例如：

int a = 10;

• 我们都知道 a 是占四个字节的空间
  那如何存储 ? 下面来了解一下

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
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。

整数在内存中存储的形式都是用补码

之前的操作符的详解中详细的讲过正数和负数在二进制的表示，下面有链接
链接: 操作符详解

大端字节序和小端字节序介绍

我们可以看到下面图片中 a 和 b 分别存储的是补码，是以十六进制显示的
但是我们发现顺序有点不对劲，为什么呢

• 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。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

大端字节序

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；

小端字节序

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。

练习题：

写一个程序来判断当前编译器的字节序

• 思路：
  
• 代码实现

int main()
{
	int a = 1;
	char* b = (char*)&a;
	if (*b == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

数据存储练习题

例题 1

请问输出的结果是什么？

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;
}
1
2
3
4
5
6
7
8

1.题解：

例题 2

想一想输出的结果是什么？

#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7

题解：

例题 3

下面代码的结果是什么

int main()
{
    char a = 128;
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6

题解：

补充：

有人就想问 char 类型能放的下这么大的数字吗
char类型的取值范围是 127 到 -128
127加1 得到的是 -128， -1+1 = 0
正如下面的圆环：
当超出 char 类型存储的大小时，-128-1得到 127，如此循环

例题 4

下面代码的结果是什么

int main()
{
	int i = -20;
	unsigned  int  j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7

题解：

例题 5

下面代码的结果是什么

#include<windows.h>
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
		Sleep(1000);  //休眠1000毫秒
	}
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

题解：

例题 6

下面代码的结果是什么

int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
   {
        a[i] = -1-i;
   }
    printf("%d",strlen(a));
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

题解：

例题 7

下面代码的结果是什么

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)
   {
        printf("hello world\n");
   }
    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

题解：

浮点型在内存中的存储

常见的浮点数

3.1415
2.5

科学记数法

1E10 相当于1.0*10的10次方

浮点型和整形在内存中存储的方式是不一样的
先看一个例子：

解析：

n 和 *p 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，一定要理解 浮点数在计算机内部的表示方法。

浮点数存储规则

浮点型在内存中存储是由 IEEE 754 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。

例如：

• 浮点数： 5.5
  如果吧 5.5 的二进制转换成科学记数法的形式
  科学记数法的形式 101.1 = 1.011
  十进制的小数点向左移动了一位，相当于2的1次方
  科学记数法的 1.011 相当于小数点向左移动了二位，相当于2的2次方
  科学记数法： 1.0112^2
  就可以写成：（-1）^ 0 * 1.0112^2
  **那么，按照上面V的格式:S = 0 M=1.011 E =2

• 浮点数：-5.0
  二进制是 -101.0
  科学记数： -1.01×2^2
  S=1，M=1.01，E=2**

• 浮点数：9.5
  二进制：1001.1
  科学记数:1.00112^3
  (-1) ^0 * 1.00112^3
  S = 0 M = 1.0011 E = 3

IEEE 754规定：

对于32位平台的浮点数，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位平台的浮点数，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

IEEE 754对有效数字M和指数E，还有一些特别规定

• 有效数字M

EEE 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
  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 到 255；如果E为11位，它的取值范围为0 到 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
  

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。

下面的二种条件很少出现，就简略写一点
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）

让我们回到最开始的问题：