【数据的存储】

简介: 【数据的存储】

一、整形在内存中的存储

1. 原码、反码、补码

(1)首先只要是整数,在内存中储存的都是二进制的补码,下面说一下一个十进制的数如何转化为二进制的数;

在二进制的权位上,从右往左数,它们的权位从0开始依次增大,例如010101,最右边的1权位是0,往左的0权位是1,以此类推;

例如一个十进制的整数10,可拆分为8 + 2,而8 = 2 ^ 3,2 = 2 ^ 1,这个 2 ^ 3 中的3就是二进制中的权位,同理2 ^ 1 中的1也是二进制中的权位,在计算时把1放在对应二进制的权位上即可转化十进制为相应二进制的数;例如8在二进制中的权位为3,就应该把1放在从右往左数的第四位上;2在二进制的权位为1,就把1放在从右往左数的第二位上,所以10对应的二进制为0b1010;

00000000 00000000 00000000 00001010
              1*2^3 + 0*2^2 + 1*2^1 + 1*2*0 = 10;

(2)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”,而正数的原、反、补码都相同。 负整数的三种表示方法各不相同。

对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码;在计算时,需要将整数的原码表示出来,若是正数,原反补相同,即可计算;若是负数,需将负数的原码表示出来,再转换为补码,再进行计算,计算完的数值仍然是补码,还需转换为原码才是最后的结果。

原码 = 反码取反(除了第一位符号位),补码 = 反码 + 1

2. 大小端的存储模式

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; eg:0x11223344

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; eg:0x44332211

写一个代码来判断当前机器的字节序:

int cheak()
      {
        int a = 1;
        char* p = (char*)&a;      //强制转化成char*类型,char*只能访问一个字节
        return *p;                  //返回1是小端,0是大端
      }
      int main()
      {
        int ret = cheak();
        if (ret == 1)
        {
          printf("小端\n");
        }
        else
          printf("大端\n");
        return 0;
      }

3. 练习

(1)计算以下输出结果;

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;
      }

分析:

10000000 00000000 00000000 00000001 (-1的原码)

11111111111111111111111111111111111110 (-1的反码)

11111111111111111111111111111111111111 (-1的补码)

在补码中,char类型只能存放8个比特位,所以会截断前面的24位,截断后是:11111111,现在a,b,c中放的都是11111111,然后根据需要打印的类型进行整型提升,例如a,是要按照%d的形式打印,而且它不是unsigned类型,所以最高位的1被当成符号位,前面全部补1;

发生整型提升后是:11111111111111111111111111111111111111(补码),发生整型提升前,要看char这个类型前面是不是unsigned类型,如果是,就忽略符号位,直接补0,例如 unsigned char c=-1中,截断后发生整型提升后是:00000000000000000000000011111111(补码),由于unsigned是无符号数,原反补码相同,直接计算得出结果为c = 255;若不是unsigned类型,需要补回原来的符号位,然后转成反码,再转成原码得出结果,a = b = -1.

(2)计算结果

int main()
      {
        unsigned int num = -10;
        //10000000000000000000000000001010        原码
        //11111111111111111111111111110101      反码
        //11111111111111111111111111110110          补码
        printf("%d\n", num);        //以%d打印,还是-10
        printf("%u\n", num);      //以%u打印,无符号,即直接打印当前补码的值,为4,294,967,286
        return 0;
      }

(3)计算结果

int main()
      {
        char a = -128;       //这里128和-128的结果相同
        printf("%u\n", a);
        //00000000 00000000 00000000 10000000   原码
        //01111111 11111111 11111111 01111111   反码
        //01111111 11111111 11111111 10000000   补码
        //10000000    截断
        //整型提升,看a的类型,char a是有符号,1当作符号位,前面全补1,为11111111 11111111 11111111 10000000,用%u打印,原反补相同,直接打印.
        return 0;
      }

(4)计算结果

int main()
      {
        int i = -20;
        //10000000 00000000 00000000 00010100   原码
        //11111111 11111111 11111111 11101011   反码
        //11111111 11111111 11111111 11101100   补码
        unsigned int j = 10;
        //00000000 00000000 00000000 00001010   正数原反补相同
        printf("%d\n",i + j); //-10
        //11111111 11111111 11111111 11110110   i+j的补码
        //11111111 11111111 11111111 11110101   i+j的反码
        //10000000 00000000 00000000 00001010   i+j的原码    -10
        return 0;
      }

(5)下题,当i = 0,i - -后,i = -1,无符号数打印出 i = 4,294,967,295,所以这个代码会死循环.

int main()
      {
        unsigned int i;
        for (i = 9; i >= 0; i--)
        {
          printf("%u\n", i);
          //i = -1时
          //10000000 00000000 00000000 00000001   原码
          //11111111 11111111 11111111 11111110   反码
          //11111111 11111111 11111111 11111111   补码
          //无符号打印出i = 4,294,967,295,所以这个代码会死循环
        }
        return 0;
      }

(6)求a的长度

int main()
      {
        char a[1000];
        int i;
        for (i = 0; i < 1000; i++)
        {
          a[i] = -1 - i;
        }
        //-1 -2 -3 -4 -5 -6 ...-127 -128 -129 ... -998 -999 -1000
        //char -1 -2 -3 -128 127 126 .... 3 2 1 0 -1 -2 -3 ... -128 127 ...
        printf("%d", strlen(a)); //255
        //strlen 求字符串长度,找到\0停止
        return 0;
      }

(7)

unsigned char i = 0;
      int main()
      {
          for(i = 0;i<=255;i++)
         {
              printf("hello world\n");
         }
          return 0;
      }

当i = 255时,i++,i又变回0;所以这个代码会死循环

拓展,short类型的有符号与无符号的取值范围:

二、浮点型在内存中的存储

1. 浮点数存储规则

一个小数转化为二进制小数点后的权位为-1,-2,-3……
              1111.1111
            ……2^1  2^0  2^-1  2^-2……

(1)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。

例如,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。

(2)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;

(3)M的保存:

在保存M时,只保存1.xxxxxx后面部分的xxxxxx;比如保存1.01的时候,只保存01,其他补0,等到读取的时候,再把第一位的1加上去;

(4)E的保存:

在保存E时,要加上中间数127(32位)或者1023(64位),假设当前为32位的浮点数,保存2 ^ 10时,E = 10,所以E + 127 = 137,所以在E的权位上是137的二进制形式10001001;

(5)S的保存:

正数为0;负数为1.

例如,

2. 浮点数从内存中取出

E从内存中取出分三种情况:

(1)E不全为0或不全为1:指数E的计算值减去127(或1023),得到真实值;再将M(xxxx)的有效数字前加1.,加完后应为1.xxxx;

(2)E全为0: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;

(3)E全为1:表示正负无穷大;

3. 例题

00000000 00000000 00000000 00001001 (补码)

当int n = 9,*pFloat以%f打印时,会以浮点数的存储模式解读9的补码,所以结果是0.0;

当*pFolat = 9.0时,9.0以浮点数的存储模式存到内存中,当以%d的形式打印时,会以整型数的解读方式解读9.0浮点数存储模式的二进制,所以是结果是1,091,567,616

int main()
      {
       int n = 9;
       //00000000 00000000 00000000 00001001  9的补码
       float *pFloat = (float *)&n;
       printf("n的值为:%d\n",n);   //9
       printf("*pFloat的值为:%f\n",*pFloat);   //0.0
       *pFloat = 9.0;
       printf("num的值为:%d\n",n);    //1,091,567,616
       //0 10000010 00100000000000000000000
       printf("*pFloat的值为:%f\n",*pFloat);  //9.0
       return 0;
      }
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