C语言——L/数据在内存中的存储

一、整数在内存中的存储

整数的2进制表示法有三种，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”，最高位的一位是被当做符号位，剩余的都是数值位。

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。

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。

二、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;
}

小端储存

调试的时候，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。这是为什么呢？

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。

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。（低高地址方向0x11223344由小放大 这是大端）

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。（低高地址方向0x44332211由大放小 权重小先放 这是小端）小小小

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8bit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 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。

2.3 练习

2.3.1 练习1:判断大小端

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。

// 代码1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
	int a = 1;
	//1. 取出a的地址
	//2. 强制类型转换成char*后解引用，只取a的第一个字节的数据
	//3. 如果取出是1，就是小端，取出是0就是大端
	return *(char*)&a;
}

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

	return 0;
}
//代码2
int check_sys()
{
	union
	{
		int i;
		char c;
	}un;
	un.i = 1;
	return un.c;
}

2.3.2 练习2:请分析输出值

#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);//-1 -1 255
	return 0;
}


//int main()
//{
//    char a = -1;
//    //1、
//    //原码：10000000000000000000000000000001
//    //反码：11111111111111111111111111111110
//    //补码：11111111111111111111111111111111
//    //存储在a8个比特位中要发生截断所以只有 a = 11111111
//      
//    //2、要以%d的形式进行打印就要对a进行整形提升
//    //原码：11111111111111111111111111111111
//    //反码：10000000000000000000000000000000
//    //补码：10000000000000000000000000000001
//
//    signed char b = -1;//同a
//    //存储在b8个比特位中要发生截断所以只有 b = 11111111
//
//    unsigned char c = -1;//同a
//    //存储在c8个比特位中要发生截断所以只有 c = 11111111
//    //整型提升后
//    //00000000000000000000000011111111
// 
//    printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c); //-1 -1 255
//    return 0;
//}

2.3.3 练习3:请分析输出值

//代码1
#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = -128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    //10000000000000000000000010000000
    //11111111111111111111111101111111
    //11111111111111111111111110000000
    //10000000 - a
    //打印时发生整型提升
    //11111111111111111111111110000000

    printf("%u\n", a);//4,294,967,168
    //%u 是十进制的形式打印无符号的整数

    return 0;
}

//代码二
#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = 128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

2.3.4 练习4:请分析输出值

#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;
}



//int main()
//{
//    char a[1000];
//    //-128~127
//    //-1 -2 -3 ... -128 127 126 125 ... 5 4 3 2 1 0 -1 -2 ... -128 127 126 ... 5 4 3 2 1 
//    //128+127 = 255
//    int i;
//    for (i = 0; i < 1000; i++)
//    {
//        a[i] = -1 - i;
//    }
//    printf("%d", strlen(a));//求字符串长度找的是\0，\0的ASCII码值是0，其实找的就是0
//    //255
//    return 0;
//}
//

2.3.5 练习5:请分析输出值

//代码1
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;//0~255 会死循环 其恒成立
int main()
{
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
		printf("hello world\n");
	}
	return 0;
}

//代码2
#include <stdio.h>
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}


#include <stdio.h>
#include <windows.h>
//
//int main()
//{
//    unsigned int i;
//    //死循环
//    for (i = 9; i >= 0; i--)
//    {
//        printf("%u\n", i);
//        Sleep(1000);//睡眠1秒
//    }
//
//    return 0;
//}

2.3.6 练习6:请分析输出值

//在X86环境中  小端字节序
int main()
{
	int a[4] = { 1, 2, 3, 4 };
	int* ptr1 = (int*)(&a + 1);
	int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);
	printf("%x,%x", ptr1[-1], *ptr2);
	return 0;
}

取值范围：

具体取值范围取决于编程语言和平台的规范和实现。在使用特定语言时，建议查阅该语言的文档以获取确切的信息。

char 类型是用来表示字符的，通常是一个 8 位的整数类型。如果 char 是有符号的，那么其取值范围通常是 -128 到 127。如果 char 是无符号的，那么其取值范围通常是 0 到 255。 例如，C 和 C++ 中的 char 类型通常是有符号的，所以其取值范围是 -128 到 127。而在很多其他语言中，比如 Java，char 类型是无符号的，所以其取值范围是 0 到 255。

short 类型通常用于表示短整数，short 类型是一个较小的整数类型，通常为 16 位。 如果 short 是一个 16 位的整数类型，其取值范围通常是从 -32,768 到 32,767（即约 -2^15 到 2^15-1）。这是因为在 16 位系统上，一个整数占用 16 位，其中一位用来表示正负号，所以剩下的 15 位用来表示数值。

int 类型通常用于表示整数，通常是 32 位或 64 位。 如果 int 是一个 32 位的整数类型，则其取值范围通常是从 -2,147,483,648 到 2,147,483,647（即约 -2^31 到 2^31-1）。这是因为在 32 位系统上，一个整数占用 32 位，其中一位用来表示正负号，所以剩下的 31 位用来表示数值。 如果 int 是一个 64 位的整数类型，则其取值范围通常是从 -9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807（即约 -2^63 到 2^63-1）。

long 类型通常用于表示较大的整数，long 类型的大小可能是 32 位或 64 位。

1.如果 long 是一个 32 位的整数类型，其取值范围通常是从 -2,147,483,648 到 2,147,483,647（即约 -2^31 到 2^31-1），与int 类型相同。 2.如果 long 是一个 64 位的整数类型，其取值范围通常是从 -9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807（即约 -2^63 到 2^63-1）。

三、浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：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。

3.1 练习

#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("num的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

3.2 浮点数的存储

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。

3.2.1 浮点数存的过程

IEEE754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。IEEE754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IEEE754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。

3.2.2 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，则为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

3.3 练习解析

先看第1环节，为什么 9 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？ 9以整型的形式存储在内存中，得到如下⼆进制序列：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

⾸先，将 9 的⼆进制序列按照浮点数的形式拆分，得到第⼀位符号位s=0，后⾯8位的指数 E=00000000 ，最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 0000 1001。 由于指数E全为0，所以符合E为全0的情况。因此，浮点数V就写成：    V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146) 显然，V是⼀个很⼩的接近于0的正数，所以⽤⼗进制⼩数表⽰就是0.000000。再看第2环节，浮点数9.0，为什么整数打印是 1091567616 ⾸先，浮点数9.0等于⼆进制的1001.0，即换算成科学计数法是：1.001×2^3所以：9.0 = (-1) 0 (1.001) 23 ，那么，第⼀位的符号位S=0，有效数字M等于001后⾯再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010所以，写成⼆进制形式，应该是S+E+M，即

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位的⼆进制数，被当做整数来解析的时候，就是整数在内存中的补码，原码正是 1091567616 。

总结：

1、有些浮点数在内存中是无法精度保存；

2、double类型的精度比 float 更高；

3、两个浮点数比较大小时，直接使用 == 可能会出现问题；

4、理解储存方式和其储存过程，远比死记硬背的强。