C语言第二十八弹---整数在内存中的存储

1、整数在内存中的存储

在讲解操作符的时候，我们就讲过了下面的内容：

整数的2进制表示方法有三种，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” ，而数值位最高位(第一位)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。

2、大小端字节序和字节序

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;
}

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？

2.1、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，下面是具体的概念：

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。

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。

上述概念需要记住，方便分辨大小端。

2.2、为什么有大小端?

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8 bit 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

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。（10分）-百度笔试题。

 思路一：

创建一个int类型变量 i 赋值成1，如果通过char*解引用也得到1那么就是小端。

//代码1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
 int i = 1;
 return (*(char *)&i);
}
int main()
{
 int ret = check_sys();
 if(ret == 1)
 {
 printf("小端\n");
 }
 else
 {
 printf("大端\n");
 }
 return 0;
}

思路二：

使用联合体方法，创建一个char类型和一个int类型的联合体，将int类型的数据赋值成1，如果char类型的数据也为1，则为小端。

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

2.3.2、练习2

#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;
}

在第十六弹的操作符(下)中我们谈到整型提升，C语言中整型算术运算总是至少以缺省整型类型的精度来进行的。( 即储存数据类型小于整型储存的32比特位时就使小于32比特位的数据类型整型提升） 为了获得这个精度，表达式中的字符和短整型操作数在使用之前被转换为普通整型(int)，这种转换称为整型提升。

1. 有符号整数提升是按照变量的数据类型的符号位来提升的
2. 无符号整数提升，高位补0

我们可以知道我们一般整数进行计算时需要转化为int类型。

10000000 00000000 00000000 00000001    -1的原码

111111111 111111111 111111111 111111110    -1的反码

111111111 111111111 111111111 111111111    -1的补码

但是a的类型为char类型，因此只能存储8个bit位，即11111111   a在内存中实际存储

b的类型为signed char类型，因此只能存储8个bit位，即11111111   b在内存中实际存储

c的类型为unsigned char类型，因此只能存储8个bit位，即11111111   c在内存中实际存储

a按照%d进行打印，即10进制无符号整数打印，a为char类型，根据整型提升规则，有符号按照符号位提升,a提升之后为11111111 11111111 11111111 11111111

11111111 11111111 11111111 11111111    补码

11111111 11111111 11111111 11111110    反码

1000000 0000000 0000000 00000001   原码    值为-1    因此a打印的值为-1，b同理

c按照%d进行打印，即10进制无符号整数打印，c为unsigned char类型，根据整型提升规则，无符号在前面补0，c提升后为00000000 00000000 00000000 11111111 ----为正数，因为正数的原反补码相同，因此c的10进制值为255

2.3.3、练习3

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

10000000 00000000 00000000 10000000     -128原码

111111111 111111111 111111111 011111111     -128反码

111111111 111111111 111111111 10000000     -128补码

a为char类型，因此a在内存中实际存储为 10000000

a按照%u进行打印，即10进制无符号打印，a首先进行整型提升，无符号按照符号位进行提升，即

11111111 11111111 11111111 10000000    提升之后

按照无符号打印，即直接打印，转化为10进制后结果为：4,294,967,168

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

00000000 00000000 00000000 10000000     128原、反、补码  正数都相等

a为char类型，在内存中存储为10000000

a按照%u打印，先整型提升，char类型按照符号位提升，即

11111111 11111111 11111111 10000000

10进制无符号打印即为4,294,967,168

2.3.4、练习4

#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;
}

strlen计算的是'\0'之前的字符串长度，即需知道什么时候为0，循环第一次a[i]=-1-0=-1，然后-2，一直到-128，-128-1为127，然后一直减到0，中间个数有255个，因此长度为255.

2.3.5、练习5

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
 for(i = 0;i<=255;i++)
 {
 printf("hello world\n");
 }
 return 0;
}

根据unsigned char类型大小的取值范围，范围为0-255，因此 i 一定小于等于255，所以此处为死循环，一直打印hello world

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

根据unsigned int类型大小的取值范围，范围为0-4,294,967,295，i 一定大于等于0，因此此处也为死循环，先打印9 8 7 ....0  然后打印最大值，最大值-1.....一直循环。

调试可得下图。

2.3.6、练习6

#include <stdio.h>
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;
}

x86环境得到的结果，x64可能会出错。

总结

本篇博客就结束啦，谢谢大家的观看，如果公主少年们有好的建议可以留言喔，谢谢大家啦！