【C语言航路】第九站:数据的存储(上)

简介: 【C语言航路】第九站:数据的存储

一、数据类型介绍

1.基本的内置数据类型

这部分我们在一开始的时候已经说过了,如下表所示

char
short
int
long
long long
float
double
//字符数据类型
//短整型
//整形
//长整型
//更长的整形
//单精度浮点数
//双精度浮点

这些内置数据类型也有他们的意义:

1.使用这个类型开辟内存空间的大小(大小决定了使用范围)

2.如何看待内存空间的视角

2.类型的基本归类

整型家族

char

        unsigned char

        signed char

short

        unsigned short [int]

        signed short [int]

int

        unsigned int

        signed int

long

        unsigned long [int]

        signed long [int]

long long

        unsigned long long [int]

        signed long long [int]

1.首先要注意的是char类型,字符在存储的时候存储的是ASCII码值,ASCII是整数,所以在归类的时候,字符是归类为整型家族的。

2.[int]是可以省略的

3.除过char类型以外,signed是可以省略的

4.char代表的是signed char 还是 unsigned char是取决于编译器的,常见的编译器上char==signed char

浮点数家族

float
double

构造类型(自定义类型)

数组类型 int a[10]的类型是int [10],int a[11]的类型是int [11],char a[5]的类型是char [5]
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

指针类型

int* pi
char* pc

float* pf

void* pv

空类型

void 表示空类型(无类型)
通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型

二、整型在内存中的存储

我们之前讲过一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。

那么数据在所开辟的空间中到底是如何存储的?

比如说

int a=20;

int b=-10;

我们知道int 需要开辟四个字节的空间,那么这四个字节的空间到底该如何使用呢?

1.原码反码补码

关于原码、反码、补码我们之前是提到过的

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数值位两部分,符号位都是用0表示“正”,用1表示“负”

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

原码:直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。

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

由此我们便可以从原码得到补码,从补码到原码我们可以逆着过程来,也可以使用取反+1的方式得到

我们使用上面的例子来分析一下

    int a = 20;

   //正数的原码反码补码相同

   //原码:00000000 00000000 00000000 00010100

   //反码:00000000 00000000 00000000 00010100

   //补码:00000000 00000000 00000000 00010100

   int b = -10;

   //原码:10000000 00000000 00000000 00001010

   //反码:11111111 11111111 11111111 11110101 ----符号位不变,其他按位取反

   //补码:11111111 11111111 11111111 11110110 ----反码+1

我们知道数据在内存中是补码的形式存储的。

那么我们来看一下内存中这些数据是如何存放的

我会发现这个是使用16进制数存放的,这是因为如果是二进制的话,那么显得过于太长了,使用16进制数更为简洁

所以我们不妨先写出a的十六进制数,也顺便把b的十六进制数写出来,注意由于数据在内存中都是以补码的形式存储的,所以我们应该写补码的十六进制数

我们会发现确实是按照16进制数,并且以补码的形式存储的。但是我们发现这是以字节为单位倒着存放的。这块的问题我们待会讨论

在这里我们先说一下为什么要以补码的形式进行存储

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

我们可以举一个例子说明一下

假如说我们想要计算1-1的话,那么其实由于cpu只有加法器,所以我们计算机是这样计算的1+(-1)来实现的,这样的话就把减法转化为了加法运算

而对于这个加法,我们如果使用他们的原码进行运算的话

   int a = 1;

   //原码:00000000 00000000 00000000 00000001

   int b = -1;

   //原码:10000000 00000000 00000000 00000001

   int c = a + b;

   //a的原码:00000000 00000000 00000000 00000001

   //b的原码:10000000 00000000 00000000 00000001

   //原码相加:10000000 00000000 00000000 00000010 也就是-2,显然不可能

而补码正是弥补了这个缺陷

   //a的补码:00000000 00000000 00000000 00000001

   //b的补码:11111111 11111111 11111111 11111111

   //相加后:100000000 00000000 00000000 00000000 ---放入c中将被截断

   //c的补码:00000000 00000000 00000000 00000000 符号为为0,是一个正数

   //c的原码:00000000 00000000 00000000 00000000 为0

这样就可以实现正常的减法运算了

2.大端字节序与小端字节序

什么是大小端

我们在上面观察数据在内存的存储的时候,我们知道他们是按照补码的十六进制存储的,而且他们还会以字节为单位进行逆序存储,这是为什么呢?

这里先给出他们的概念

大端存储模式:是指将数据的低位保存在内存的高地址处,而数据的高位,保存在内存的低地址处

小端存储模式:是指将数据的低位保存在内存的低地址处,而数据的高位,保存在内存的高地址处

也就是说假如有一个数据0x11223344,在内存中他有多种存放方式,可以是按照顺序,可以是按照逆序,也可以是乱序,但是存的进来也得取的出来。我们发现,只有按照顺序存储和逆序存储才是最方便的两种方式,而乱序比较麻烦,所以我们不用他

我们最终就保留了两种存储模式,大端字节序和小端字节序

而我们在前面说原码反码补码的时候,我们也注意到,我们当时的数据都是逆序存储的,可见我们此时的vs2022在x86环境下为小端存储模式

为什么要有大端小端

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。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。

那么问题现在来了,如何设计一个程序去判断当前的系统是大端还是小端呢?

其实我们只需要考虑1就可以了,他在内存中是0x00 00 00 01,他在小端中是01 00 00 00,在大端中是00 00 00 01。我们只需要想办法取出第一个字节的数据即可,看他是否为1,如果为1,那就是小端,如果为0则为大端 ,而取出第一个字节的方法也很简单,就是使用char*的指针,因为他刚好只访问一个字节。

所以代码如下

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

运行结果为

3.一些经典的题目

(1)

//输出什么?
#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;
}

题目解析:

#include <stdio.h>

int main()

{

   char a = -1;

   //-1的原码:10000000 00000000 00000000 00000001

   //-1的反码:11111111 11111111 11111111 11111110

   //-1的补码:11111111 11111111 11111111 11111111

   //char只有一个字节,会发生截断

   //a的补码为:11111111

   signed char b = -1;

   //-1的原码:10000000 00000000 00000000 00000001

   //-1的反码:11111111 11111111 11111111 11111110

   //-1的补码:11111111 11111111 11111111 11111111

   //char只有一个字节,会发生截断

   //b的补码为:11111111

   unsigned char c = -1;

   //-1的原码:10000000 00000000 00000000 00000001

   //-1的反码:11111111 11111111 11111111 11111110

   //-1的补码:11111111 11111111 11111111 11111111

   //unsigned char只有一个字节,会发生截断

   //c的补码为:11111111

   printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);

   //a的补码为:11111111

   //按照%d打印出来,也就是按照整型打印出来,那么就会发生整型提升,a是有符号的会补符号位1

   //打印时a的补码为:11111111 11111111 11111111 11111111

   //打印时a的反码为:11111111 11111111 11111111 11111110

   //打印时a的原码为:10000000 00000000 00000000 00000001

   //所以最终打印出来a=-1

   

   //b的补码为:11111111

   //按照%d打印出来,也就是按照整型打印出来,那么就会发生整型提升,a是有符号的会补符号位1

   //打印时b的补码为:11111111 11111111 11111111 11111111

   //打印时b的反码为:11111111 11111111 11111111 11111110

   //打印时b的原码为:10000000 00000000 00000000 00000001

   //所以最终打印出来b=-1

   //c的补码为:11111111

   //按照%d打印出来,也就是按照整型打印出来,那么就会发生整型提升,c是无符号的直接补0

   //打印时c的补码为:00000000 00000000 00000000 11111111

   //由于c此时的符号为为0,为正数,原码反码补码三码统一

   //打印时c的原码为:00000000 00000000 00000000 11111111

   //所以最终打印出来b=255

   return 0;

}

(2)

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

题目解析:

#include <stdio.h>

int main()

{

   char a = -128;

   //-128的原码为:10000000 00000000 00000000 10000000

   //-128的反码为:11111111 11111111 11111111 01111111

   //-128的补码为:11111111 11111111 11111111 10000000

   //由于char是一个字节,要发生截断

   //a的补码为:10000000

   //a又要以无符号的形式进行打印,而在打印的过程中,a先要进行整型提升

   //a本身是一个有符号的,所以全部补1

   //打印时的a的补码为:11111111 11111111 11111111 10000000

   //此时我们希望a以无符号的形式打印,那么他这个补码其实就是一个正数,这个补码就是原码,直接打印即可

   printf("%u\n", a);

   return 0;

}

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