【C语言】数据的存储(基本类型介绍、原码、反码、补码详解、大小端的理解、浮点数的存储规则)

简介: 【C语言】数据的存储(基本类型介绍、原码、反码、补码详解、大小端的理解、浮点数的存储规则)


一、数据类型

1.基本类型

char —字符数据类型

short —短整型

int —整形

long —长整型

long long —更长的整形

float —单精度浮点数

double —双精度浮点数

这些都是C语言中基本的内置类型。

类型的意义:

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)

char类型占一个字节

int类型占4个字节

2.如何看待内存空间的视角


2.基本归类

(1)整型家族

所谓整型,其实就是以数字的形式出现的,基本包括如下几种:

1.char

unsigned char

signed char

2.short

unsigned short

signed short

3.int

unsigned int

signed int

4.long

unsigned long

signed long

是不是有点疑惑,char明明是字符类型,为什么也会归为整型家族一类呢,请看分解:char确实是字符类型,但他在内存中是以ASSIC码的形式存储的,而ASSIC码是数字(也就是整数),所以char也被归为了整型。

unsigned和signed

unsigned—无符号

signed—有符号

在编写代码时,如果前面加上unsigned,表示这个数字是没有符号的,其中,如果什么都没有加,那么

int a = 0;就相当于signed int a = 0;
short a = 0;就相当于 signed short a = 0;
long a = 0;就相当于 signed long a = 0;

但是

char b = 0;不一定就是 signed char b = 0;//在不同编译器下,它的形式也是不一样的

(2)浮点数家族

float

double

(3)构造类型

数组类型

int arr[5];//数组arr的类型为int [5]

char arr[4];//数组arr的类型为char [4]

结构体类型 struct

枚举类型 enum

联合类型 union

(4)指针类型

int*

char*

float*

void*

(5)空类型

void

用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型


二、整型在数据中的存储

一个变量的创建需要在内存中开辟空间,而空间的大小是根据不同的类型决定的,接下来要理解的是数据在所开辟的内存中是如何存储的。

1.原码、反码、补码

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”,而数值位

正数的原、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

同时,要想由补码得到原码也可以是取反后+1得到,也可以是-1后取反得到。

一个整型在内存中存放的就是这个整数的补码:

int main()
{
  int a = 10;//原码:00000000 00000000 00000000 00001010
         //16进制显示为:00 00 00 0a
  int b = -10;//原码:10000000 00000000 00000000 00001010
        //反码:11111111 11111111 11111111 11110101
        //补码:11111111 11111111 11111111 11110110
        //16进制:ff ff ff f6
  return 0;
}

我们可以通过看到整数在内存中的具体存储方式,我们看到的是以16进制显示的数,可以看出数字是倒着存放的,为什么是倒着存放的呢,这就要引入大小端的概念了



2.大小端介绍

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;
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

为什么会有大小端之分呢?

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。

接下来写一段代码来判断当前机器的大小端模式

#include <stdio.h>
int check()
{
  int i = 1;//原码:00000000000000000000000000000001
  //按一个字节取出,发生截断:0000 0001,16进制显示:01
  return (*(char*)&i);//对i取地址强制类型转换为char*解引用按1个字节取出
            //若返回为1,则为小端字节序
            //返回为0,为大端字节序
}
int main()
{
  int ret = check();
  if (ret == 1)
  {
    printf("小端\n");
  }
  else
  {
    printf("大端\n");
  }
  return 0;
}

我们看一段代码:

//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;
}

首先,我们看到a的类型是char,char在内存中只占4个字节,所以a在内存中的存储是:

-1的原码:10000000000000000000000000000001

-1的反码:1111111111111111111111111111111111110

-1的补码:1111111111111111111111111111111111111

a

a是char型的,只占1个字节

所以a要发生截断

a的补码:11111111

而a以%d的形式,即按整型打印,需要将a整型提升转为原码

先将a的补码补够32个字节,即11111111111111111111111111111111为a的补码

所以a的原码还是10000000000000000000000000000001即-1

b

b是signed char类型的,在内存中存储的同样是11111111

b同样是以%d形式打印的,跟a一样需要整型提升后转为原码

所以b的原码也是10000000000000000000000000000001即-1

c

c的类型是unsigned char

c的补码:11111111

由于c是无符号的,所以c的原码、反码、补码相同

补够32位即00000000000000000000000011111111

它的原码也是00000000000000000000000011111111即255

代码结果:


第二段代码:

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

-128的原码:10000000000000000000010000000

-128的反码:111111111111111111111111011111111

-128的补码:11111111111111111111111100000000

a

由于a是char类型的,所以需要发生截断

a的补码:10000000

打印时是以%u的形式打印,也就是无符号打印

先将10000000前补0补全32位,即00000000000000000000000010000000

所以a的补码为:00000000000000000000000010000000

取反:11111111111111111111111101111111由于打印是无符号打印的,所以没有符号位直接取反

原码:11111111111111111111111110000000

所以打印出的结果即4294967168

代码结果:


三、浮点型在数据中的存储

1.浮点数的存储规则

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。

单精度浮点类型:

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

双精度浮点类型:

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,只保存后面的小数部分

比如保存1.01时,仅保存01即可

至于指数E,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0-255;如果E为11位,它的取值范围为0~2047。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。

当E从内存中取出时还可分为三种情况:

1.E不全为0或不全为1:

将指数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

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,

此时有效数字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:

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)


2.解释代码

我们来看一段代码:

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;
}

n的值:可以看出,n按整型存储,再按整型取出应还为9

第一个*pFloat的值:

首先,将 0x00000009 拆分,得到第一位符号位s=0,后面8位的指数 E=00000000,最后23位的有效数字M=00000000000000000001001,

所以浮点数为(-1) ^ 0 × 0.00000000000000000001001×2 ^ (-126)=1.001×2^(-146)

这个数非常小,接近于0,所以打印出来结果就是0.000000

而pFloat中存放的是n强制类型转换为float*后的地址,*pFloat是将它解引用,然后打印是按照%d方式打印;

9.0的二进制表示为:1001.0,按规则即为:(-1)^ 01.0012 ^ 3

此即:S=0,M=1.001,E=3+127=130

那么,第一位的符号位s=0,有效数字M等于001后面再加20个0,凑满23位,指数E等于3+127=130,即10000010

写成二进制形式,应该是s+E+M即01000001000100000000000000000000

十进制形式就是:1091567616 即num的值

第二个*pFloat的值:

由于pFloat解引用后再赋值9.0,此时9.0是以float类型存放的,又要以float形式拿出,所以拿出来仍是9.0

最终结果:



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