深度解剖数据在内存中得存储

一、数据类型介绍
- 1.1类型的基本归类
二、整形在内存中的存储
三、浮点型在内存中的存储
- 3.1浮点数存储规则
- 3.2例子

一、数据类型介绍

char //字符数据类型
数值长度：-128~127（-2的7次方到2的7次方-1）
shuort //短整型
数值长度： -32768~32767（-2的15次方到2的15次方-1）
int //整形
数值长度：-2147483648~2147483647（-2的31次方到2的31次方-1）
long //长整型
数值长度：（-9223372036854774808~9223372036854774807）（-2的63次方到2的63次方-1）
float //单精度浮点型
数值长度：（ 1.401298e-45~3.402823e+38）（e-45是乘以10的负45次方，e+38是乘以10的38次方）（2的-149次方 ~ 2的128次方-1）
double //双精度浮点数
数值长度：（4.9000000e-324 ~ 1.797693e+308 ）（2的-1074次方， 2的1024次方）

类型的意义：
1.使用这个类型开辟内存的空间的大小（大小决定了适用范围）。
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]
signed short [int]
int
unsinged int
signed int
long
unsigned long [int]
signed long [int]

C语言标准没有明确规定char到底是signed char类型还是unsigned char类型，在VS2019 VS2022等编译器上，char类型为signed char类型

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。

二、整形在内存中的存储

2.1原码、反码、补码

计算机中的整数有三种二进制表示方法，即原码、反码、补码，三中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：数据存放在内种其实存放的是补码
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。
查看数据在内存的存储，数据以十六进制形式表示
在这里插入图片描述
我们可以看到a和b分别存储的是补码。但其存储顺序有点不对劲，我们正常的理解的a以十六进制是这样表示的00 00 00 14，b是这样表示ff ff ff ff f6,那这是为什么呢？看下面分析

2.2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。

所谓的低位高位，就是数学中的低位高位，如个位，十位等，在内存中以字节作为数学中的低位高位，由于整形在内存中存储是占4个字节，每个内存单元占1个字节，而1个十六进制由4个二进制位转换而来，所以上图的14为两个十六进制位，由8个二进制位得到，即1个字节，且地址是由小到大的，如果以小端形式存储，则14放在低地址处。
在这里插入图片描述
为什么有大端和小端：

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8bit。但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32位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，由于寄存器的宽度大于一个字节，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。
小端模式：常用的x86结构、ARM、DSP等
大端模式：KEIL C51等

百度2015年系统工程师笔试题：
判断该机器是大端字节序还是小端字节序

#include <stdio.h>
int check_sys()
{
    
    
	int i = 1;
	return *(char*) &i;//取出i的地址并转换成char*，解引用时只能访问第一个字节的内容,只要判断第一个字节的内容是00还是01
}
int main()
{
    
    
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
    
    
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
    
    
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

若低位处的字节（十六进制）在高地址处则为大端，否则为小端
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
结果显示小端，说明在x64环境下是小端存储模式。

2.3练习

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	pirntf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);
	return 0;
}

-1为一个整数存入到char类型的变量中，会发生截断，截断大小为一个字节，对于char类型的变量以有符号十进制打印时，会发生整形提升，而对于有符号的char类型，整形提升时，最高位以符号位来进行补充，最后结果还是跟原来的一样，结果为-1，对于无符号整形提升时最高位补0，结果就跟正整数的结果一样
在这里插入图片描述

由上面结果可以得出无符号进行整形提升时，原码、反码、补码一样，相当于一个正整数。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
    
    
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
    
    
	    Sleep(1000);//设置每次延迟1000mms打印
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}

该代码会先正常输出9到0，但当i为-1存放到一个无符号整形变量当中，此时-1的补码的最高位就不是符号位了，而是一个有效位，此时会是一个很大的数字，然后一直减到0，再到-1，形成一个死循环
在这里插入图片描述

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
	char a[1000];
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
    
    
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d", strlen(a));
	return 0;
}

此数组为一个有符号char型数组，其范围为-128~127，当i为127时arr[127]==-128,当i等于128时，arr[128]==127，一直到arr[i]==0,见下图
在这里插入图片描述
通过此图发现，对于有符号的char装下8个bit的大小，-1到0时，会多进了一个1溢出,重新回到0，一直这样循环下去，故其范围为-128~127，可以用一个圆来表示(见右图），而上述代码，当arr[i]==0时，又因为strlen函数遇到0时就会停止读数，故最终打印的长度为128+127=255
在这里插入图片描述

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

此变量i为无符号char型，范围为0~255，相对于有符号char来说，无符号的每一位都是有效位，见下图
在这里插入图片描述
与有符号char类似，255再次进1就会溢出，从而一直循环下去，打印的结果为，0到255个hello world，然后继续打印0到255个hello world，一直循环下去。

三、浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：
3.14159
1E10==1.0*10^10
浮点数家族包括：float、double、long double类型。
浮点数标识的范围：引入头文件float.h

3.1浮点数存储规则

根据国际标准IEEE（电子和电子工程协会）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负数。

M表示有效数字，大于等于1，小于2

举例：

十进制的5.0，写成二进制是101.0，写成二进制的科学计数法1.01x2^2。
那么，按照上面V的格式，可以得出S=0，M=1.01，E=2。

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，
在这里插入图片描述
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M和指数E，还有一次额特别规定。

前面说过，M>=1 && m<2,也就是说，M可以写成1.xxxxxx的形式，其中1.xxxxxxx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xxxxxxx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，他的取值范围为0~255；如果E为11位，他的取值范围为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浮点数时，必须保存成10+127=137，即10001001。

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0000000000000000000000，则其二进制位：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.xxxxxxx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），那么指数E为255-127=128，会是一个很大的数字

3.2例子

#include <stdio.h>
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);
	//00000000000000000000000000001001  --9
    //S=0
    //M=0.0000000000000000001001
    //E=1-127=-126

	*pFloat = 9.0;
	// 1001.0==(-1)^0*1.001*2^3
    //S=0
	//M=1.001
	//E=3  
	// 3+127==130  10000010
	//0 10000010 00100000000000000000000
	printf("num的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

上述代码，9的二进制位为00000000000000000000000000001001以浮点数打印时，会是一个很小的数字，但以%f形式打印会保留6位小数
当9.0以整数打印时会直接将以浮点数形式存储在内存中的数(0 10000010 00100000000000000000000)当成正整数在内存中存储的数打印，换算一下，结果会是一个很大的数
在这里插入图片描述
end~

高阶C语言|深度解剖数据在内存中得存储