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大家好！我是保护小周ღ，本期为大家带来的是深度剖析数据在内存中的存储，不知道，大家学了这么久C语言，有没有想过一个问题，我们在程序设计中的数据是怎么在计算机中存储的？我们都知道一个整型数据 int 在内存中占4个字节，一个char 类型占一个字节，包括float 、double、指针…… 那他们又是怎么被计算机读取的呢？接下来跟着博主在内存的视角看数据。

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一、计算机组成原理

1.1 一台完整的计算机由硬件和软件组成

1.2 计算机为什么采用二进制表示和存储信息

1.3 计算机的工作原理是“存储程序和程序控制”

一、计算机组成原理

冯诺依曼领导的设计小组设计的计算机理论体系自1946年起一直沿用至今。

冯诺伊曼设计思想：

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1.1 一台完整的计算机由硬件和软件组成，两者相辅相成，缺一不可。

硬件：构成计算机的物理实体。

软件：计算机工作所必须的程序、数据及相关文档的集合。软件又分为系统软件和应用软件。我们的操作系统就是系统软件，我们的各种app就是应用软件。

运算器（ALU）：进行算数运算和逻辑运算

控制器(CU)：控制各部件协调一致的工作

我们的CPU(中央处理器)其实主要就是运算器和控制器组成。

CPU：（Central Processing Unit，中央处理器），他是计算机的核心元件，CPU 生产厂商中比较著名的就是 Intel 和AMD 公司，想必大家都不陌生吧。

介绍CPU 的两种性能指标：

CPU的位和字长。位（bit）是计算机处理二进制数的基本单位，一个‘1’或者‘0’，就代表一位。字长就是CPU在指定单位时间内能一次处理的二进制位数，例如：32位的CPU 就能够在单位时间内处理字长位32位的二进制数据。

多核心：是指单芯片多处理器，可以理解为，一个CUP可以“同时”处理不同的程序（像我们开了qq,又可以开微信，还能听歌，就得益于这种技术），以前的CPU可一次只能运行一个程序。

存储器：用于存放程序数据的信息，分为内存和外存。

（1）内存：又称为内部存储器和主存储器，他是相对外存而言的，我们日常使用的程序，操作系统，游戏，各种app，其实都是放在外存（硬盘，U盘等）中的，但是使用他们必须要调入到内存中运行，只有内存可以和CPU直接进行数据交换，外部信息经内存进入CPU，我们能使用的是内存的RAM和高速缓存（Cache）。RAM既可以读也可以写，当计算机断电时，存储在其中的信息就会丢失，这也是为什么我们写完文档之后要保存的原因，保存之后其实就是数据由CPU控制经内存写入外存。读取的时候反过来。高速缓存的目的，是为了解决CPU处理数据的速度高于内存的读取速度，提升CPU的利用率，所以说，内存质量的好坏于容量大小会影响计算机的运行速度（玩游戏的同学应该有体会）。

（2）外存就是硬盘，U盘，光盘啥的嘛，即使断电也不会丢失信息，相对于内存价格便宜。

输入/输出设备，也就是我们口中的 I/O 设备，输入：用于接收用户输入的数据和程序，存入计算机。输出：就是反着来嘛，像我们的显示器，音箱啥的就是经典的输出设备，鼠标键盘就是输入设备。

那么硬盘属于什么设备呢？答案是 I/O 设备，因为他既可以输入数据，也可以输出数据，我们的读盘，写盘的操作嘛。

1.2 计算机为什么采用二进制表示和存储信息

最主要的原因：二进制数在物理上最容易实现，就像电路中可以用高、低电平来表示1和0，此时我们就可以用这些0和1组成的数据，来代表信息，数据是信息的载体，是信息的具体表现形势。其次是二进制进行算数、逻辑运算，运算规则简单。

1.3 计算机的工作原理是“存储程序和程序控制”

工作过程：将程序和数据通过输入设备输入计算机，并保存在存储器中，计算机执行程序时，按照程序的指令的逻辑，顺序的、自动的、连续的把指令依次取出来并执行，无须人为干涉。

1.4 总线

主板上的总线（Bus）是连接CPU 和计算机上各种器件的一组信号线，用来在各部件之间传递数据和信息。主板上的总线按功能可以分为三类：

控制总线（CB）：用来发送CPU命令信号到存储器或 I/O设备的总线。

地址总线（AB）：由CPU向存储器传送“地址”的是地址总线。

数据总线（DB）：CPU、存储器和 I/O等设备之间数据传送的是数据总线。

经过上文，博主的计算机基础知识的讲解，相信大家应该对我们的计算机有了一个初步的了解，现在跟着博主，一起站在内存的角度看C语言。

二、基本数据类型介绍

基本的C语言数据类型，我们也掌握的许多。

C语言基本的数据类型（32位）：

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实际上整型数据还有，signed(有符号)，unsigned(无符号)之分，例如：unsigned int ,后面讲。

数值中有正数和负数，但也有些数值只有正数。这就是我们有符号，和无符号的意义，两者之间的存储数据的范围不一样。

char 类型有三种之分：

char , signed char ,unsigned char ,char 其实就是后两种的一种，要么有符号，要么无符号，这个取决于编译器，VS 2019 char == unsigned char ;

其他的默认是有符号的， int == signed int ……

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三、整型数据在内存中的存储

定义变量是要在内存中开辟空间的，开辟空间的大小是根据不同的类型而决定的。

整型类型数据的取值范围限定的取值范围 Limits.h 文件中

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3.1 原码、反码、补码

整型数据在计算机中的数据保存和运算都是以二进制的形势，但是不是直接使用数据的原码，而是数据的补码。也就是说数据的运算存储都是数据的补码进行的。

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那么两个整型数据怎么进行运算的呢？

CPU—运算器，只有加法器，所以加法和减法都是统一用加法器运算而且是由补码的形势运算的。

如果 a=10,b=10;

那么 a - b= a + (-b) =10 +（-10）

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补码到原码的方法（主要是负数）

计算机虽然存储运算的时候用补码，但显示数值的时候还是会用原码的形势显示出来

（1）采用逆运算，补码最后一位减1，符号位不变，数值位逐位取反，即可得到原码。

（2）补码符号位不变，数值位逐位取反，最后一位加1 ，即可得到原码。

char 型数据一般采用ASCLL码的形势存储，一个ASCLL码占用存储空间一个字节，最高位固定为0，所以ASCLL码的取值范围为[0，127]；

3.2 进制转换

那么是十进制数，如何转换为二进制数呢，最简单的办法，我们抄起计算器，但是我们还是要知道怎么算。

（1）将（57.345）十进制数，转换为二进制计算方法如下：

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（2）如何将 111001.01011 转换为十进制呢？

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1.从某进制转换成某进制，可以先，转换成 2进制数，在利用二进制按权展开。

2.二进制转 16进制可以用 8 4 2 1码，因为1位16进制数最大是15，也就是F，刚好就是二进制4位全1 1111 这四个1的权重展开就是8 4 2 1，所以我们遇到一串二进制数，转换成16进制，就可以每四个二进制位一组（不够的补0），可以得到一位16进制数，注意从低位开始，小数部分也可。

3.八进制也是同样的道理，但是他的只能使用 4 2 1，最大为7，刚好就是三个二进制位 111 =7；

所以是三个二进制位一组。

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3.3 什么是大、小端存储？

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根据上图，我们发现，我们的值以字节为单位（我们的存储单元最基本的单位就是字节），在内存中是倒着存贮的，嘶~，好奇怪啊。

一个数值超过1个字节，要在内存中存储，那就有了存储顺序的问题。

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所以大小端存储更像是一种标准。不同的编译器有着不同得存储顺序，但是一般都是大端或者是小端存储。

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博主用的是VS 2019 ，所以这个编译器是小端字节序存储。我们能不能用代码的形势来判断目前使用的编译器，是小端存储还是大端存储呢？

#include <stdio.h>
int check_sys()
{
  int i = 1;  
  char* pi = (char*)&i;//将整型空间强转为字符型，并交给字符型指针pi维持
  return *pi;//只能访问一个字节的内容。
}
int main()
{
  int ret = check_sys();//调用函数
  if (ret == 1)
  {
    printf("小端序字节存储\n");
  }
  else
  {
    printf("大端序字节存储\n");
  }
  return 0;
}

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1.在 int 四个字节得整型空间里，只使用其中一个字节的内容存一个1；要么1在左边，要么1在右边。

2.我们把这个整型空间强转为字符型的指针维持，字符型指针只会访问一个字节的空间，所以根据字符型指针pi 解引用操作的得到的值即可判断是否是大端存储或者是小端存储。

3.字符型指针虽然在32位平台下有4个字节，但是他会根据自己的类型决定访问多少字节，所以 char* 的指针解引用操作只会访问一个字节的内容，如果是int * 的指针解引用可以访问4个字节的内容。

4.此时呢，字符型指针解引用操作访问一个字节的内容，如果访问到了1，表示小端存储，否则就是大端存储。

本题就是利用这个特性，巧妙地判断。

这是一道笔试题哦~

3.4 程序深入理解

3.4.1 下面程序会得到怎样的结果

#include<stdio.h>
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;
}

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根据这一题，我们可以得到 3 个知识点：

1 . 原码，反码、补码之间的相互转换

2 . 截断：例如：高字节类型强转为低字节类型，就会发生截断，保留低位，舍去高位

3. 整型提升：一般用于不足整型的数据，有符号位根据符号位，高位补齐，无符号位，直接高位补0。

4. 一个字节的内容如果有符号位，数值位就只有7位有效，2^7-1=127,加入符号位，数据范围就是[-128,127]。

一个字节的内容如果无符号位，数值位，8位全部有效，2^8-1=255; 因为没有符号，所以数据取值范围[0,255]。

3.4.2 下面程序会得到怎样的结果

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为什么程序会造成死循环？

因为，变量 i 是无符号整型数据，无符号整型数据的取值范围一定是 >=0，没有符号位，也就无法表示负数。所以，循环的结束条件为 >= 0，条件是恒成立的，当 i 等于 -1 的时候，在内存中的补码是全 1，但是没有符号位,所以就代表是正数，正数的原码，反码，补码相同。所以 i 会是一个很大的数，再逐渐递减。

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