详解C语言—数据在内存中储存

字符在内存中储存的是字符的ASCII码值，ASCII码值是整型，所以字符类型归类于整型。

char：char，unsigned char，signed char

short ：unsigned short ，signed short

int：unsigned int，signed int

long：unsigned long，signed long

浮点数：

float

double

long double

构造类型：

数组 a[ ]

结构体 struct

枚举 enum

联合 union

指针：

int * p

char* p

float* p

void*p

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.整形在内存中的储存

原码、反码、补码：

计算机中的整数有三种二进制表示方式，即原码、反码、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”，

正数的原、反、补码都相同。

负整数三种表示方法均不同：

原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制。

反码：将原码的符号位不变，其他位依次按位取反。

补码：减一取反或者取反加一，两种方法效果一样。

我们来看整型10和-10的原码、反码、补码：

int main()
{
	//INT_MAX;
	int num  = 10;//创建一个整型变量，叫num，这时num向内存申请4个字节来存放数据
	//4个字节-32比特位
	//00000000000000000000000000001010-原码
	//00000000000000000000000000001010-反码
	//00000000000000000000000000001010-补码

	int num2 = -10;//
	//10000000000000000000000000001010 - 原码
	//11111111111111111111111111110101 - 反码——原码取反
	//11111111111111111111111111110110 - 补码——反码加一
	
	return 0;
}

本质上内存中存放的是二进制，在vs上为了方便展示，显示的是16进制。

取地址&num如下： 二进制变十六进制四位变一位，1010是二进制的10，10的十六进制为a，所以0x00 00 00 0a，然后倒着存储，因为vs是小端存储，这里我们稍后解释。

取地址&num1如下： 二进制1111十六进制是f，0110是6，所以为0xff ff ff f6。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码：

如果用计算1-1，用原码进行计算得到的结果是错误的，所以在计算机系统中，数值一律用补码表示和存储，原因在于使用补码可以将符号位和数值位统一处理。
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。

//计算1-1
//1+(-1)
// 00000000000000000000000000000001 --> 1的补码
// 11111111111111111111111111111111 --> -1的补码
// 00000000000000000000000000000000
// 
// 原码计算是错误的
//00000000000000000000000000000001
//10000000000000000000000000000001
//10000000000000000000000000000010---> -2
//

大小端介绍：

大小端字节序指的是数据在电脑上存储的字节顺序.

大端字节序储存：把一个数据的低位字节处的数据存放在内存的高地址处，

高位字节处的数据存放在内存的低地址处。

小端字节序储存：把一个数据的低位字节处的san数据存放在内存的低地址处，

高位字节处的数据存放在内存的高地址处。
int a = 0x11223344;
11为最高位字节 44为最低位字节

在内存中最左边为低地址，往右为高地址。

内存中为：11 22 33 44 即为大端字节序储存，如图所示：

内存中为：44 33 22 11 即为小端字节序储存，如图所示：

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。

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

简化一下：

#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;
}

例题：

#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    //原码：10000000000000000000000010000000（32bit）
    //反码：11111111111111111111111101111111
    //补码：11111111111111111111111110000000
    //char只存8bit 即为：10000000 
    //%u打印无符号的整型>>需要进行整型提升
    //进行整型提升>>高位补符号位：
    //11111111111111111111111110000000
    printf("%u\n",a);
    //%u无符号数原码、反码、补码相同
    return 0;
}

结果为 。稍后我们仔细讲解整型提升。

上述结果的二进制形式如下计算器所示：

3.什么是有无符号类型

对于整型类型来说，存在有无符号（signed&unsigned）的区分，比如：char类型在VS上是有符号的signed char。有符号类型可以省略signed，无符号必须写unsigned。

比如signed有符号类型最高位为符号位，unsigned类型每一位都是数字位。

char类型占一个字节内存中就是8比特，这8个比特位的内存空间存放二进制的所有可能。

我们拿signed char类型举例：

127加一回到-128，本质上就是个循环。

我们拿unsigned char类型举例：

4.整型提升：

C的整型算术运算总是至少以缺省整型类型的精度来进行的：

缺省整型类型：指在没有明确指定数据类型时，默认使用的整型类型。在C中，如果你声明一个变量而没有明确指定其数据类型，通常会使用int作为默认的整型类型。

为了获得这个精度，表达式中的字符和短整型操作数在使用之前被转换为普通整型，这种转换称为整型提升。

整型提升的意义：

表达式的整型运算要在CPU的相应运算器件内执行，CPU内整型运算器(ALU)的操作数的字节长度一般就是int的字节长度，同时也是CPU的通用寄存器的长度。

因此，即使两个char类型的相加，在CPU执行时实际上也要先转换为CPU内整型操作数的标准长度。

通用CPU（general-purpose CPU）是难以直接实现两个8比特字节直接相加运算（虽然机器指令中可能有这种字节相加指令）。所以，表达式中各种长度可能小于int长度的整型值，都必须先转换为int或unsigned int，然后才能送入CPU去执行运算。

有符号类型整型提升高位补符号位：

正数整型提升高位补0
负数整型提升高位补1

无符号类型整型提升高位补0：

例一：

#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;
}

输出结果：

  char a = -1;

   //10000000000000000000000000000001

   //11111111111111111111111111111110

   //11111111111111111111111111111111

int类型存入char类型发生截断，将截断最低字节即八比特存入变量a中。

   //11111111 -a

   接下来：printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);

    %d - 十进制的形式打印有符号整型整数，打印的是原码

   整型提升有符号类型高位补符号位，补上所缺位数，在 //11111111 -a 前面补上1。

   //11111111111111111111111111111111——整型提升

   //11111111111111111111111111111110——补码减一

   //10000000000000000000000000000001--> -1——原码

        signed char与char一样，十进制形式输出结果都是-1.

   unsigned char c = -1;

  //11111111111111111111111111111111——补码

int类型存入char类型发生截断，将截断最低字节即八比特存入变量c中。

//11111111 -c

    整型提升无符号类型高位补零

   //00000000000000000000000011111111

十进制形式输出结果为255.

例二：

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

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

-128：

//1000000000000000000010000000
//11111111111111111111111101111111
//1111111111111111111111110000000—— -128的补码

128：

//0000000000000000000010000000——正数原码反码补码相同
-128和128 存入char a都截断为//10000000
虽然以%u无符号形式打印，但a被声明为有符号字符，所以整型提升为int类型高位都补上符号位1。
//1111111111111111111111110000000——符号位为1，为正数直接打印
两个程序结果相同， 输出结果：

例三：

int main()
{
	int i = -20;
	//10000000000000000000000000010100
	//11111111111111111111111111101011
	//11111111111111111111111111101100
	//
	unsigned int j = 10;
	//00000000000000000000000000001010
    //相加：
    //00000000000000000000000000001010
	//11111111111111111111111111101100
    //结果：
	//11111111111111111111111111110110
    //转换为原码打印
	//11111111111111111111111111110101 —— 减一
	//10000000000000000000000000001010 —— 取反 得到-10

	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}

输出结果：

例四：

#include <windows.h>
#include <stdio.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;
}

无符号整数在0到2^32—32位（或者2^64—64位）之间循环，当无符号整数0减去1时，将回绕到最大的无符号整数值，所以循环不会停止一直持续下去，构成死循环。

由于输出太快，我们加上Sleep函数 (括号内单位为毫秒) 让它每隔一秒输出一个i。

输出结果：

例五：

#include <string.h>
#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;
}

在for循环中，a[i] = -1 - i;则a[1000]内部被赋值为 -1、-2 … -1000，但事实上有符号的char类型存放的值的范围为-128—127，当值为-128时，再减一值变成127，以此循环：strlen是求字符串长度的，统计的是\0之前出现的字符个数，\0的ASCII码值为0，因为char类型在内存中储存的是ASCII码值，所以在char a[i]的值为0时，strlen统计结束。

输出结果：

4.浮点型

例一：

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;
}

输出结果：

整型和浮点型在内存中的存储方式有差异，打印的数据和打印的格式类型要相匹配

可能你还是不太理解，我们来详细介绍一下float类型。稍后会再次深入讲解例一。

浮点数存储规则：

常见的浮点数： 3.14159 、 1E10（E或e）表示的数值是 1 乘以 10 的 10 次方。

浮点数家族包括： float、double、long double 类型

例一中 n 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。

举例来说：

十进制的5.0，写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2 。

那么，按照上面V的格式，可以得出S=0，M=1.01，E=2。

十进制的-5.0，写成二进制是 -101.0 ，相当于 -1.01×2^2 。那么，S=1，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 。

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。

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，必须保存成10+127=137，即10001001。

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）；

再次讲解例一：

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;
}

int n=9的二进制形式为00000000000000000000000000001001，pFloat指向&n也就是指向这一串二进制数字，通过(float*)强制类型转换，使*pFloat指向的这块内存空间是浮点数。

0 00000000 00000000000000000001001 S E M 0 -126 0.00000000000000000001001 (-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^-126 >>为非常小的数字

E在内存中为全零，这时，浮点数的指数E等于1-127。

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。

以%f形式打印小数点后六位为全零

*pFloat = 9.0：浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。

   1001.0
   1.001 * 2^3
   (-1)^0 * 2^3 * 1.001
   S=0 E=3 M=1.001 0 3+127 只存011后面补0
0 10000010 00100000000000000000000

01000001000100000000000000000000的十进制就是num输出的值。

总结：

我们今天了解了各种数据类型有哪些，学习了什么是原码、反码、补码和大小端存储，

通过例题，了解整型提升与原反补码的运用，

最后介绍了浮点数的存储规则，这有助于帮助我们跟深入理解代码。

希望大家日后多多复习，老话说得好：学而时习之，不亦说乎。

哈哈，今天就到这里了，如果觉得对你有帮助的话，不妨点一个赞吧！