[C进阶] 数据在内存中的存储——整形篇

前言

学习一门语言就像是了解一个陌生人，首先我们要做的是从外貌和举止来宏观上考察一个人的特点，然后逐渐的对其进行深入了解，最终变得知根知底，畅所欲言。本章我们对数据存储的探讨其实就是在对C语言进行深入了解，因为只有知根知底才能畅所欲言！

本章重点：

1. 区分并能够灵活转换整数的三种表示方式：原码、反码、补码
2. 理解整数在储存时的大小端模式。
3. 学会区分和界定有符号数与无符号数的取值范围。

一、类型的基本归类

在C语言中我们将类型大体分为5类，即整形、浮点型、构造类型、指针类型、空类型。

（1）整形家族：

补充：除 char类型外。当short、int、long、long单独使用时系统默认为signed类型。char类型单独使用是否表示signed char与编译器有关。例如VS下char=signed char

问题1：为什么char类型归属整形家族？

char类型在内存中存储数据时，本质上存储的是数据的ASCII码值，而ASCII码值又作为整数存在，所以也将char类型归属为整形家族。

问题2：为什么一种类型存在unsigned和signed？

1、unsigned表示无符号、signed表示有符号。二者的区别在于能不能表示负数，有符号可以表示负整数，无符号则不行，只能表示非负整数。

2、另外，表示的数值范围不同。从二进位制的角度上说，有符号int就是以最高位为符号位(计算机二进位制是没有正负号的，只有0和1，因此最高位为0表示正整数或0，最高位为1表示负整数)，使用补码的形式储存负数，而无符号int不用考虑符号的问题，它的二进位制最高位仍是有效数位而不是符号位。（2）浮点型家族：

（3）构造类型：（自定义类型）

（4）指针类型：

注意： void*pv用于临时存放其他类型的地址，但是由于void没有具体类型，所以不能对其进行pv++，*pv等相关指针操作

（5）空类型：

void 通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型

二、类型存在的意义

1. 不同的类型通常在内存中开辟不同的空间，丰富的类型增加了我们的选择性，同时在一定程度上避免了空间的浪费。
2. 不同的类型决定我们看待内存空间的视角。比如int类型数据表示内存空间存放的是整数，float表示存放的是小数……

三、整形的存储

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。那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

🍑3.1 原码、反码、补码

计算机中整数是以2进制数字存储的，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”，而对于数值位正数的原、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。

其实不必将其想的太过于复杂，也就是说，正整数的原反补码相同，计算和存储时不需要转换。而负整数原反补码，各不相同，需要对其进行相关转换后才能进行计算。

📝例如：

1.int a=20的原、反、补

2.int b=-10的原、反、补

🍑3.2 整形在内存中的存储

现在我们已经知道了计算机中整数的3种二进制表示方法，那么整数在内存中究竟是以那种形式存储的呢？为了能够直观的观察到整数在内存中的存储形式，我们以-10为例，通过内存窗口观察可得到：

内存中-10的16进制表示形式为:ff ff ff f6转化为2进制为:11111111111111111111111111110110显然这不正是-10的补码吗？

结论： 对于整形来说，数据存放内存中其实存放的是补码。

为什么整形在内存中存放的是补码？

1.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；

2.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。

📝例如：计算int c= 1-1

1.在此过程中将其分别转换为补码后，符号位与数值位可以统一进行加法运算从而得到正确结果

2.原码——>补码与补码——>原码的计算路径是一样的

📖综上两点，我们可以体会到计算机设计的巧妙。设计师们用补码将原本复杂的问题极度简化，其构思之精妙实在惊为天人。

🍑3.3 大小端介绍及判断

细心地你有没有发现当我们观察内存中存放的补码时，存放的顺序有点不对劲。这是为什么呢？

在计算机中，数值是以字节为单位进行储存，当一个数值超过了1个字节，要存储在内存中就需要考虑存储的顺序。这里我们就引出了数据存储的大小端：

🌳(1) 什么是大端小端?

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。

🌳(2) 为什么有大端和小端？

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。

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。

🌳(3) 设计一个小程序，判断当前机器的字节序

✍️思路：创建一个大于1字节的变量，用char*指针访问他们第一个字节的数值，因为char*指针访问顺序为从低地址到高地址，如果访问得到的数值是变量的低位，则机器为小端存储，反之为大端存储。

📑代码展示：

//返回1表示小端
//返回0表示大端
#include<stdio.h>
int check_sys()
{
  int a = 1;
  return *(char*)&a;
}

int main()
{
  if(check_sys() == 1)
    printf("小端\n");
  else
    printf("大端\n");

  return 0;
}

🤔思考题：

unsigned int a= 0x1234;
unsigned char b=*(unsigned char *)&a;

在32位大端模式处理器上变量b等于多少？答案是0x00，为什么呢？这道题留给大家思考！

🍑3.4 有符号数和无符号数的取值范围如何定？

📝以signed short和unsigned short类型为例：

推而广之：

📝牛刀小试：

下面代码在VS下输出的结果是？

int main()
{
  char a[1000] = {0};
  int i=0;
  for(i=0; i<1000; i++)
  {
    a[i] = -1-i;
  }
  printf("%d",strlen(a));
  return 0;
}
//答案：255

🤔分析：用库函数strlen()求字符串长度，遇到‘\0’即ASCII码值为0时停止，返回0之前的字符长度。

总结

最后就浅浅总结一下吧！

本章主要讲解了基本的数据类型，着重介绍了整形家族及整形在内存中的储存。

本章重点：

1. 区分并能够灵活转换整数的三种表示方式：原码、反码、补码
2. 理解整数在储存时的大小端模式。
3. 学会区分和界定有符号数与无符号数的取值范围。

铁汁们，我们下期再见！😊😊😊