深度剖析数据在内存中的存储

本章重点：

1.数据类型详细介绍

2.整形在内存中的存储：原码，反码，补码

3.大小端字节序介绍及判断

4.浮点型在内存中的存储解析

一.数据类型的介绍：

我们学过基本的内置类型：如下，还有他们所占内存的大小

> char                                      //字符数据类型
> short                                    //短整形
> int                                     //整形
> long                                   //长整形
> long long                             //更长的整形
> double                              //双精度浮点数
> float                              //单精度浮点数
> C语言中还有字符串类型

类型的意义：

1.使用这个类型开辟的内存空间大小多少（大小决定了使用范围）

2.如何看待内存空间的视角

1.1类型的基本分类：

整形家族:

> char     
>       unsigned  char
>       signed   char  字符在存贮的时候存储的是ASCII码值，ASCII值是整形数字，  但是  char 到底是signed char还是unsigned  char 是取决于编译器的，但一般是signed  char  .
>short
>      unsigned  short
>      signed   short 
>int 
>     unsigned  int
>     signed   int 
>long 
>     unsigned  long
>     signed   long
>

浮点数家族：

flaot
double

构造类型：

数组类型

结构体类型 struct

枚举类型 enum

联合类型 union

指针类型：

int *p;
char *p;
float*p;
void *p;空类型void
void* 这是一种指针~无具体类型的指针！

空类型：

void表示空类型（无类型）

通常是函数的类型，返回值，参数

二.整形在内存的存储

我们知道创建一个变量需要开辟空间，空间的大小取决于变量的类型。

那数据所开辟的内存是如何存储的呢？

比如：

int a=20;
int b=-10;
整形a 开辟4个字节的内存空间，那如何存储的呢？

2.1原码，反码，补码

计算机中的整数有三种表示方法，原码，反码，补码

三种表示方法均有符号位，和数值为两部分符号位0表示正，符号位1表示负数。

整数原码反码补码一样，负数三种表示方法不相同。

原码：

正负数按照原来的数直接翻译成二进制成的就是原码，整型4个字节，32个比特位。

反码：

将原码的符号位不变，其他位按位取反

补码：

反码加1

对于整形来说：数据存放内存中的其实是补码

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），之外，补码与原码相互转化，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

举例分析：
```c
  int a=1;
  int b=1;
  int c=a-b;//只有加法怎么办呢？ 看成1+-1就好了
  1
  00000000000000000000000000000001原反补码
  -1
  11111111111111111111111111111111补码
  100000000000000000000000000000000 1+-1补码相加变成33位了然后
  截断一位变成32位变成0了
  00000000000000000000000000000000补码但是符号位是0是正数，原反补码相同是0，打印用的是原码打印。

从内存中看：

int a=20;
int b=-10;
20的表示
00000000000000000000000000010100原码
00000000000000000000000000010100反码
00000000000000000000000000010100补码
正数原码反码补码相同 -----补码表示
00000000 00000000 00000000 00010100
但是最终以16进制放在内存里的，而不是二进制。
0x00 00 00 14
-10的表示
100000000000000000000000000001010原码
111111111111111111111111111110101反码
11111111 11111111 11111111 11110110补码
4个1表示一个f
在内存里存的是0xFF  FF  FF  F6

还有就是原码和补码之间的转换原理是一样的！

都可以是取反加一。

2.2大段小段介绍：

什么是大段小端：

我们知道，数据的存储，还要有数据的使用，数据存储进去还要拿出来使用，这就涉及了如何更好的使用了。

要想到放进去还要拿出来。最终留下两种方式正序，和负序。

大段存储模式（大段字节序存储）把数据的低位放在高地址把数据的高位放在低地址

小段存储模式（小段字节序存储）把一个数据的低位字节的内容存放在低地址处高位字节的内容存放在高地址处

注意点：

存储是以字节为单位

低位高位----是个位十位百位的位，不是二进制位。

为什么会有大段小段？

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8bit。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。

怎么检验当前机器是大端还是小段呢？

定义一个检查当前机器的大小段的函数大段和小段有什么区别呢？见上面介绍如果是大段那么定义一个变量a=1;那a在内存中存储应该是0x00 00 00 01;

int check_sys()
{
  int a = 1;
  char* p = (char*)&a;
  return *p;
}
int main()
{
  int ret=check_sys();
  if (ret == 1)
    printf("小段\n");
  else
    printf("大段\n");
  return 0;
}

2.3相关练习+解析

1.第一题

#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;

输出多少呢？为什么呢？

结果：

1.讲解剖析

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;
    char 和signed char 实际上是一样的所以打印的是相同的。unsigned char为无符号数，他们之间有什么关系呢？
    首先看a是char类型的，-1呢是整形要把-1这个整形存到char 类型的a肯定要发生截断
    -1 
    100000000000000000000000000000001原码
    111111111111111111111111111111110反码
    111111111111111111111111111111111补码
    截断变成11111111
    再看要求（%d）打印有符号整数，而a是char类型的，需要进行整形提升。
    整形提升（在操作符详解中我有介绍过）有符号数则按符号位整形提升无符号数则按0提升。
    a的补码 11111111
    整形提升：按符号位提升到32位
    11111111111111111111111111111111补码
    最终打印的是原码再变成原码--取反+1
    10000000000000000000000000000001 原码 -1
    最终打印的是-1 a和b是相同的，来看c
    c是无符号数，这是它的区别，前面截断是相同的就是整形提升这方面不一样
    截断的c11111111
    整形提升：无符号数按0提升
    00000000000000000000000011111111补码
    发现这个是正数，原码反码补码相同，所以最后打印的是255

2.第二题

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

输出什么呢？为什么呢?

结果：

2.讲解+剖析

char a=-128;//-128整数放进char类型的a中
跟上面的题一样要发生截断的。
1000000000000000000000000001000000原码  
1111111111111111111111111110111111反码
1111111111111111111111111111000000补码
截断1000000 
整形提升--有符号数//无符号数（不讨论原反补码）
1111111111111111111111111111000000 补码
注意（%u）要求打印无符号数，就把符号位看成有效位 ----
1000000000000000000000000001000000 原码
printf("%u\n,a);

3.第三题

int main()
{
char a=128;
printf("%u\n,a);
000000000000000000000000001000000
10000000----a
整形提升---看的是a的类型char 是无符号
111111111111111111111111111000000
打印无符号数----打印原码
}

4.第四题

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

输出什么呢？为什么呢？

结果：

4.解析

int i=-20;
unsigned int j=10;
printf("%d\n",i+j);%d要求打印有符号数
-20的表示
100000000000000000000000000010100原码
111111111111111111111111111101011反码
111111111111111111111111111101100补码
10的表示
000000000000000000000000000001010原反补码相同
111111111111111111111111111110110   -20+10相加后的补码，这是个无符号数，但最后要求打印有符号数，所以
取反加1
100000000000000000000000000001010得到原码
这个原码翻译成-10

5.第五题

unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)
{
    printf("%u\n",i）;
}

结果：死循环

为什么呢？

5.解析

unsigned int i;
i是无符号数，无符号数的取值范围是0~255，是恒大于等于0的，当i=0时，i--得到的不是-1而是255，它不可能为负数的，只能轮回0~255.所以这个是个死循环。
for(i = 9; i >= 0; i--)
{
    printf("%u\n",i）;
}

6.第六题

int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
   {
        a[i] = -1-i;
   }
    printf("%d",strlen(a));
    return 0;
}

这题答案又是多少呢？

6.解析

strlen（）结束的条件是遇到'\0',而\0也就是数字0，
char 类型数值范围是-128~127.
数组a从-1 ，-2 ，-3 ，-4，……-128都正常存入
-128再-1不是-129了而是127，然后126 ，125，124……
3，2，1，0结束所以只循环了255次，最终长度为255.

char 范围：

char -128~127;

unsigned char 0~255

7.第七题

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)
   {
        printf("hello world\n");
    }
    return 0;
}  
这道题目与上面的第五题是一样的。
unsigned char的范围是0~255
当i=255时i++不会变成256而是轮回变成0所以会变成死循环的。
i<=255恒成立

三.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159 1E10 浮点数家族包括：float，double,long double类型浮点数表示的范围：float.h定义可以查看

3.1例子一：

浮点数存储：

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;
 }

结果是什么呢？

3.2浮点数存储规则

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。

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。

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。

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。

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0255；如果E为11位，它的取值范围为02047。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。

然后，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（1/2）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=126，表示为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐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。

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）；

解释前面的题目：

以浮点数的形式拿出拿n=9，得到的答案为什么是0.000000000呢？

c 9----->0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

第一符号位s=0,后面8位的指数E=00000000

最后23位有效数字M=000 0000 0000 0000 00000 1001

由于指数E全部=为0，所以符合第二种情况

V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2 ^(-126)=1.001×2 ^(-146)

V是无限趋近于0的正数。用十进制小数表示接收0.00000

第二部分：

浮点数9.0如何用二进制表示呢？

9.0

1001.0也就是1.001*2^3

9.0---->(-1) ^0* 1.001*2 ^3 ---->S=0,M=1.001 ,E=3+127=130

那么第一位符号位S=0,有效数字M等于001再加上20个0，E=3+127=130即100000010.

所以二进制形式：

0 100000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位二进制还原成十进制就是 1091567616 。

数据的存储（ C ）