进阶C语言——数据的存储【详解】

1. 数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：

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

以及他们所占存储空间的大小。
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）。
2. 如何看待内存空间的视角

1.1 类型的基本归类

整形家族：

char
unsigned char
signed char
short
unsigned short [int] （int 可省略）
signed short [int] （int 可省略）
int
unsigned int
signed int
long
unsigned long [int] （int 可省略）
signed long [int] （int 可省略）

 signed修饰有符号的数（既可以放负数又可以放正数）
 unsigned只能修饰正数
 int= [signed]  int     sigened可以省略
 char是不是signed char取决于编译器

浮点数家族：

float
double

构造类型：（自定义类型）

  > 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 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

2. 整形在内存中的存储

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。

接下来我们看看数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

比如：

int a = 20;
int b = -10;

我们知道为 a 分配四个字节的空间。
那如何存储？
先了解下面的概念：

2.1 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。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
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）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。

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	int a = 20;
	//
	//00000000000000000000000000010100 - 原码
	//00000000000000000000000000010100 - 反码
	//00000000000000000000000000010100 - 补码
	//00000014

	int b = -10;
	//
	//10000000000000000000000000001010 - -10的原码
	//11111111111111111111111111110101 - -10的反码
	//11111111111111111111111111110110 - -10的补码
	//FFFFFFF6
	
	return 0;
}

调试后我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。
这是又为什么？

2.2 大小端介绍

什么大端小端：

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

画图演示：

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。
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

百度2015年系统工程师笔试题：

请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。

//如果是大端返回0
//如果是小端返回1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
    
    
	int i = 1;
	return (*(char*)&i);
}
int main()
{
    
    
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
    
    
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
    
    
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

运行结果：

2.3 练习

练习1

//1.输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	char a = -1;
	//10000000000000000000000000000001  原码
	//11111111111111111111111111111110  反码
	//11111111111111111111111111111111  补码
	//11111111 - 截断
	//整型提升
	//11111111111111111111111111111111
	//11111111111111111111111111111110
	//10000000000000000000000000000001 -1
	signed char b = -1;
	//signed char与 char结果一样
	unsigned char c = -1;
	//11111111 - 截断
	//00000000000000000000000011111111无符号数高位直接补零
	printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
	return 0;
}

char的二进制序列计算

有符号char的取值范围是 （-128~127）
无符号char的取值范围是 （0~255）

%d与%u的输出结果

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	unsigned int num = -10;
	//10000000000000000000000000001010 原码
	//11111111111111111111111111110101 反码
	//11111111111111111111111111110110 补码
	//无符号数原码补码相同
	printf("%d\n", num);
	printf("%u\n", num);

	return 0;
}

练习2

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

练习3

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

运算过程与练习2的过程相似
运行结果

练习4

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	//10000000 00000000 00000000 00010100
	//11111111 11111111 11111111 11101011
	//11111111 11111111 11111111 11101100 - (-20)补码
	//00000000 00000000 00000000 00001010 - (10)原码
	//11111111 11111111 11111111 11110110 - (i+j)结果，计算机的结果，是存在内存中，是补码
	//10000000 00000000 00000000 00001010  -  补码变成原码
	//计算结果  -10
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}

练习5

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
    
    
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
    
    
		printf("%u\n", i);
		Sleep(1000);//单位是毫秒
	}
	return 0;
}

打印结果：

Sleep(1000)用来降低打印速度的头文件为#include <windows.h>

unsigned 用来打印无符号数，所以当i=-1时，unsigned int i并不会认为i是一个负数，只会认为他是一个很大的正数，-1的补码为 11111111111111111111111111111111
32个全一在计算机的值如下

练习6

#include <stdio.h>
//char 类型的取值范围是 -128~127
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 ...
	//1000个值
	printf("%d", strlen(a));
	//strlen 求字符串长度，找到是\0，\0的ASCII码值是0.
	return 0;
}

运行结果;

二进制加一减一的图解

练习7

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
//0~255
int main()
{
    
    
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
    
    
		printf("hello world\n");
	}
	return 0;
}

i的范围是0~255，所以循环里的内容恒成立，所以结果为死循环。

3. 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中定义

3.1 一个例子

浮点数存储的例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	int n = 9;
	//00000000000000000000000000001001 - 9的补码
	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;
}

输出结果：

3.2 浮点数存储的规则

num 和 *pFloat 在内存中明明是同一个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大？
要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。
详细解读：
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。

以5.5举例来说
十进制的5.5，写成二进制是 101.1

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。
比如，2^10的E是10，所以保存成32位浮点数时，必须保存10+127=137，即10001001.
例如：

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	float f = 5.5f;
	//101.1
	//(-1)^0 * 1.011 * 2^2  科学表现形式
	//01000000101100000000000000000000  二进制表现形式
	//40b00000  十六进制表现形式
	//
	return 0;
}

在内存中的存储为十六进制表现形式（由于大小端的原因，顺序有所不同）

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）；

好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。
解释前面的题目：
下面，让我们回到一开始的问题：为什么 0x00000009 还原成浮点数，就成了0.000000 ？
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=000 0000 0000 0000 0000 1001。

9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

由于指数E全为0，所以符合上一节的第二种情况。因此，浮点数V就写成：

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

显然，V是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000
再看例题的第二部分。
请问浮点数9.0，如何用二进制表示？还原成十进制又是多少？
首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。

9.0 -> 1001.0 ->(-1)^01.00123 -> 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。
所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位的二进制数，还原成十进制，正是 1091567616 。

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	int n = 9;
	//00000000000000000000000000001001 - 9的补码
	//0 00000000 00000000000000000001001
	//E = 1-127 = -126
	//M = 0.00000000000000000001001
	//(-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^-126
	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;//以浮点数的视角，存放浮点型的数字
	//1001.0
	//1.001 * 2^3
	//(-1)^0 * 1.001 * 2^3
	//S=0
	//E=3
	//M=1.001
	//0 10000010 00100000000000000000000
	printf("num的值为：%d\n", n);//1,091,567,616
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.0

	return 0;
}

好了，关于数据存储的内容就介绍 到这里了，有什么不懂的地方或者好的建议可以在评论区留言或者私信告诉七七哦！