到目前为止,我们已经掌握了C语言的基本内置类型,如下:
char //字符数据类型 (1 byte)
short //短整型 (2 byte)
int //整形 (4 byte)
long //长整型 (4/8 byte)
long long //更长的整形 (8 byte)
float //单精度浮点数 ( 4byte)
double //双精度浮点数 (8 byte)
每一种数据类型的大小不同,这也就决定了它所存储的数据范围也就不同,就比如char和int所存储的数据范围就不同,那么具体能存储多少呢?相信大家看完本本章内容,就能对每一种数据是怎么存储在内存中的,就会有了更加深刻的认识。
首先,在C语言里我们把类型分为以下几种:1、整数类型 2、浮点型 3、构造类型(自定义类型) 4、指针类型 5、空类型
//unsigned:无符号类型 signed:有符号类型
char
unsigned char
signed char
short
unsigned short [int]
signed short [int]
int
unsigned int
signed int
long
unsigned long [int]
signed long [int]
在这里,unsigned是表示无符号类型,signed表示有符号类型,所谓无符号类型就是这个数没有负数,只有正数和0,而有符号就表示这个数有正有负,大家来看这么一个例子:
从这里就可以看出,这里的c明明赋值为-1,但是存储的却显示出一个很大的正数,这是因为c是一个unsigned类型的整数,而这里,我们平常书写的一些int,short、char,这其实都是signed int、signed short、signed char,只不过signed都被省略了。
float
double
具体区别会在后面讲到
构造类型又叫自定义类型,主要包括:数组、结构体类型(struct)、枚举类型(enum)、联合类型(union)
#include<stdio.h>
//结构体
struct book
{
char name[20];
int price;
};
//枚举enum即enumerate的缩写,意思就是列举
enum color { red = 1,blue = 2 };
int main()
{
//数组
int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
struct book str = { "C语言程序设计",50 };
printf("%s %d\n",str.name,str.price);
printf("%d %d\n", red, blue);
return 0;
}
这里要注意一点,就是结构体成员访问时,结构体变量名.结构体成员、结构体变量地址(指针)->结构体成员。
int* p1;
char* p2;
float* p3;
void* p4;
这里需要注意一点,就是void*,它可以接受任意类型的指针,就像一个垃圾桶一般,char*,int*,short*等都可以接受,但是,正是因为啥都可以接收,所用它不能直接解引用,或者进行指针的运算,毕竟我们不确定到底接受的是几个字节。
如果想要对void*类型进行解引用或者运算的话,必须先强制类型转换,才可以使用,如下:
#include<stdio.h>
int main()
{
int a = 10;
void* p = &a;
//强制类型转换为int*类型,再解引用
*(int*)p = 50;
printf("%d", a);
return 0;
}
空类型经常用到函数的返回类型以及函数参数中
#include<stdio.h>
//这里的返回类型以及参数都是void空类型
void test(void)
{
printf("123");
}
int main()
{
test();
return 0;
}
了解这些内容后,接下来开始讲解整形在内存中是如何存储的
我们知道,任何变量的创建都需要在内存中开辟一块空间,空间的大小是由它们的类型决定,那么,这些数据是如何在内存中存储的呢?且听以下讲解 首先我们要先了解到原码、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”,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 原码符号位不变,其余取反得到反码 补码 反码+1得到补码
对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码。 因为使用补码,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。 具体如下图:
我们可以看到,如果存放的是原码,计算的结果会有很大偏差,更别说反码了。
为什么说补码与原码相互转换,其运算过程是相同的呢?
所以,整形在内存中存储的是补码
我们知道,整形在内存中存储的是补码,大家再来看,假如要存储-10
#include<stdio.h>
int main()
{
int a = -10;
return 0;
}
然而通过调试我们发现,存储的是f6 ff ff ff,这是为什么呢?这里就涉及到了大小端字节序的存储 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。
大家可以看到,这里vs的存储模式就是小端存储,因为它把低位的数据存储到内存的低地址,把高位存储在高地址。这里万万不可写成6f ff ff ff ,因为f 6占一个字节。
习题1:
百度2015年系统工程师笔试题: 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。
思路:这里我们只需要知道它的低地址处存储的是不是低位的数据,就可以判断是不是大小端了,就比如,如果是个int类型的数字,1,它的存储的补码为:00 00 00 01(16进制方便调试观察),低地址假如是01,就说明是小端,反之大端。完整答案如下:
小端字节序存储:把一个数值的低位字节内容存放到内存低地址处,高位字节内容存放到内存高地址处。 大端字节序存储:把一个数值的低位字节内容存放到内存到高地址处,高位字节内容存放到内存低地址处。 小程序如下:
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
int i = 1;
//把i地址强制类型转换为char*(解引用只能访问1个字节),因为我们只需要看低地址的字节存储,然后解引用指向第一个字节存储的内容,
return (*(char*)&i);
}
int main()
{
//判断
int ret = check_sys();
if (ret == 1)
{
printf("小端\n");
}
else
{
printf("大端\n");
}
return 0;
}
习题2:
以下代码输出什么?
#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;
}
且看分析:
重点来分析这个unsigned char c
所以,最终的结果为-1 -1 255
习题3:
#include <stdio.h> int main() { char a = -128; printf(“%u\n”,a); return 0; }
%u:打印无符号整型,认为内存中存放的补码对应的是一个无符号数。 %d:打印有符号整型,认为内存中存放的补码对应的是一个有符号数。
-128存储在内存中的补码为1000 0000(截断),打印无符号整数时,整型提升,char为有符号数,高位补符号位,即11111111 11111111 11111111 10000000,由于是打印无符号的整型,所以就是打印这个数对应的十进制
我们用计算器,可以算出,这个数对应的十进制是4294967168,打印结果是否如我们所想呢?
我们发现,确实如此。
习题3:
#include <stdio.h> int main() { char a = 128; printf(“%u\n”,a); return 0; }
这里的a在内存中存储的是1000 0000(截断),打印时高位补符号位,这里由于发生了截断,符号位变成了1,所以整形提升后的补码为:11111111 11111111 11111111 10000000,打印结果依然是那个很大的数字。
习题4:
int i= -20; unsigned int j = 10; printf(“%d\n”, i+j); //按照补码的形式进行运算,最后格式化成为有符号整数
习题5:
unsigned int i; for(i = 9; i >= 0; i - -) { printf(“%u\n”,i); }
这里,我们注意,i为无符号整型,前面正常打印,9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,但是当i=0的时候,执行完打印命令后还会进行i- -,i此时变成了-1,注意!i是无符号整形,-1对应的无符号整数是一个很大的正数,所以循环还会一直进行下去,陷入死循环!
相信到这里,应该对整形的存储有了较为清晰的认识。接下来讲解以下浮点型是如何在内存中存储的。
像float、double、long double…都属于浮点型,接下来将探究浮点型是如何在内存中存储的。
先来看这样一段代码:
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;
}
看到这个结果,相信很多人和我一样都很吃惊,那么为何会这样呢?且听以下讲解
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。
具体是什么意思呢?
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。
再举个例子: v=5.5 二进制101.1 即1.011*2^2,S=0,M=1.011,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。
什么意思呢?具体如下:
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。
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。
举个例子,也就是说,在存储5.5即101.1时,M=1.011,但是存储时只存储1后面的011,等读取的时候,再给011加上1即可1.011
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。
举个例子,假如存储float 5.5,还有double -5.5,应该这样存储:
具体真的是这样存储的吗,我们来验证一下,就拿上面的5.5来说,存储的二进制为: 0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000 转换成16进制即 40 b0 00 00 我们前面已经知道,vs是小端存储,所以存储的应该是00 00 b0 40 ,我们通过调试来验证一下:
由此可见,确实如此! 那么,该如何读取呢?指数E从内存中取出还可以再分成三种情况: 1、E不是全0,也不是全1 读取时先将E-127(1023),然后在前面有效数字M前面加个1 就比如读取上面的0 10000001 011 0000 0000 0000 0000 0000
首先S=0,E-127得到2,然后再011前面加个1,即1.011 就可以写成(-1)^01.0112 ^2 即1.011*2 ^2 也就是101.1,转换成十进制5.5
2、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。
因为-127+127才等于0,也就是00000000,即E=-127,也就是说原本的数是写成x.xxx*2^-127,这个数已经非常非常非常非常小了,2的-127次方,无限趋近于0
3、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)
大家来想一下,128+127=255,也就是E全为1,即11111111,也就是说E=128,即原来的数是x.xx*2^128,这个数如果是正数,就超级超级超级大,趋近于正无穷,如果是个负数,就非常非常小,趋近于负无穷!
学完后我们回过头来再来看那个题:
首先,n的二进制数为: 00000000000000000000000000001001(原、反、补) 然后第一个打印,%d打印出来9,没毛病
第二个打印,这里pFloat指向的是n的地址,也就是这个二进制数,而以浮点型的视角来看待这块二进制数,这里的0就表示S,00000000表示E,后面的表示M, 这里E为全0,在上面就讲到了,当 E为全0时表示的是一个无限接近0的数字0.0000000000000000000000000000000…,所以打印出来的是0.00000000
后面pFloat=9.0,这里我们写出它存储的二进制位 9.0二进制:1001.0,即1.0012^3 S=0,M=1.001,E=3 所存储的二进制应为: 0 10000010 001 00000000000000000000 而假如以%d形式打印,我们就要把这个二进制数看成是补码 而看成补码的话,0符号位为正,原反补相同,所以对应原码为 01000001000100000000000000000000 而这个原码对应的十进制数为:1,091,567,616 所以第三个打印为1,091,567,616
第四个打印是以%f打印,打印浮点型小数,所以打印结果还是9.0
因此,输出结果为:9 0.00000000 1,091,567,616 9.0
结果确实如此,以上为数据在内存中的存储详解,期待您的支持!
望诸君加油,不负自己!