【C语言】数据在内存中的存储

数据类型介绍

之前的博客中也提到过数据类型，以我们当前的认知感觉好像数据类型无非就是 char、short、int、long、long long、float、double 这样的一些类型，给我们的感觉好像C语言的数据类型也就这么些了吧，其实这些数据类型称之为内置类型，换句话讲就是C语言本身就具有的数据类型。当然这些类型真正在使用起来的时候会发现不足以描绘生活中的全部现象，因此后来又出现了结构体之类的介绍。

我们一般将 char 类型也归到整形中去，原因是字符在存储和表示的时候都用的是它的 ASCLL 码值；整型类型的种类之多，是因为其大小不一样：类型不同取值范围不同，这就使得我们在使用这些数据类型上就显得更加灵活，你希望使用一个多大的值，我们就可以给出一个多大的类型来使用。其实浮点型也是一样的道理：我们为了表示更高的精度，有了 double ，精度低一点，我们用 float 。退一步来讲，为什么又有整数和浮点数之分呢，因为生活中数字就有整数和小数之分。整数放到整形中，小数放到浮点数类型中，数据类型让这一切有理有据。

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。

类型在一定程度上决定了看待内存的视角，比如说给出一个 float 类型的变量并且在里面放入一个值，那我就认为内存里面放入了一个 float 类型的数据，也就是说无论放进去什么，我都认为里面就是一个 float 类型的数据，其他的内置类型也是一样的道理。

类型的基本归类：

整形家族：

字符存储和表示的时候本质上使用的是 ASCLL 码值，ASCLL 码是整数，因此字符类型也归类到整形家族。

我们发现 char、int、short、long 都分为两种类型，一种是 unsigned，一种是 signed。我们发现在现实生活中表示数值时，有一些数值有正有负，比如温度；而有一些数只有正没有负，比如年龄。因此在C语言中，在表示有符号的数时我们可以用 signed 来修饰，用 unsigned 来修饰无符号的数。

这里在使用 unsigned 和 signed 时需要注意：

• signed short [ int ] 等价于 short [ int ]
• signed int 等价于 int
• signed long [ int ] 等价于 long [ int ]
• signed char 不一定等价于 char，两者是否等价取决于编译器

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

这里解释一下数组为什么要归结于自定义类型，原因是我们可以指定数组的类型和个数，只要构造好数组，去掉数组名就是数组的类型，比如：int arr[10]，我们去掉数组名 arr，剩下的 int [10] 就是该数组的类型，只要改变数组大小还是数组元素的类型，数组的类型也就发生改变。因此我们也将数组类型归到自定义类型下。

指针类型：

比如： int* pi 、char* pc、float* pf 、void* pv

我们用 int*、char*、float*、void* 来创建变量专门用来存放地址，有了这个地址我们就可以通过地址找到一块内存空间，从地址所指的起始位置开始向后访问，按照什么节奏访问取决于指针类型。

空类型：

• void

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。

void test()       //函数不需要返回值
{
 
}
 
void test(void)   //函数不需要参数
{
 
}
 
void* p;          //无具体类型的指针

整形在内存中的存储

我们知道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。

int a = 20;
 
int b = -10;

通过之前对C语言的认识与学习，我们知道为 a，b 分别分配四个字节的空间，那究竟在这些空间中是如何存储，接下来我来揭开整形在内存中的存储这个神秘面纱。

原码、反码、补码

内存中存储的都是二进制的数据，并且计算机中整数有三种2进制的表示方式：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。

那么a 和 b 在内存中到底是如何存储的：

int a = 20;
 
//原码：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0100
//反码：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0100
//补码：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0100
 
int b = -10;
 
//原码：1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
//反码：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0101
//补码：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110

由于 a 的原码、反码和补码都相同，不方便观察到底是以哪种形式存储，而 b 是负数，它的原码、反码和补码各不相同，那观察起来就非常明显，因此我们将以 b 为例子来探究我们想要的结果：

我们先打开调试，选择内存监视器1，输入&b，选择行列为4，得到了如下数据：

我们发现计算机给出了一串16进制的数字 f6 ff ff ff ，仔细观察可以发现 b 的二进制的补码化为16进制按顺序可以得到 ff ff ff f6，惊奇的发现似乎存放的是补码，只是在这里是倒着放的。这里计算机展示的是以16进制方便展示，在存的时候是确确实实的二进制。

结论：对于整形来说，数据存放内存中其实存放的是补码。

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。

大小端介绍

我们可以看到对于a和b分别存储的是补码，但是发现顺序是反的，写个代码再看一看吧：

int a = 0x11223344;

为了方便观察，我们将 a 的值写为16进制，运行调试后我们可以发现数据在内存中是倒着放的，那为什么会出现这样的现象呢？原来当任何一个数据在存储的时候如果大于一个字节，那么它在内存中就会有这样的存储顺序的问题，从而引申出了大端存储模式和小端存储模式。

什么是大端小端：

• 大端字节序存储模式：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。
• 小端字节序存储模式：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。

为什么有大端和小端：

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。

补充练习

整形数据在内存中的存储，大小端，原反补等相关练习题目

浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：3.14159，1E10。

浮点数家族包括：float、double、long double 类型。

浮点型家族的取值范围：放在float.h文件中；整形家族类型的取值范围：放在limits.h文件中。\

一个例子

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
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("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

由运行结果可知：以整形类型存n=9，用浮点数类型读取时两者的内容竟然有很大差别；同样的道理，以浮点数类型存n=9，用整形类型读取时两者的内容也很大差别。这说明了整形和浮点型在存储和读取形式上有所差别。

浮点数存储规则

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，那么接下来我就来介绍浮点数在计算机内部的表示方法。

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：

• V = (-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：

10进制的 5.5 ，写成2进制是 101.1 ，相当于 1.011×2^2。那么，按照上面V的格式，可以得出S=0，M=1.011，E=2。

IEEE 754规定：

对于32位的浮点数（也就是float类型的浮点数），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（就是double类型的浮点数），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。

举个例子来验证浮点数存储形式的正确，代码示例如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
 
int main()
{
	float f = 5.5f;
	//转换为2进制：101.1
	//IEEE 754：（-1）^0 * 1.011 * 2^2
	//在内存中的存储形式：0 1000001 01100000000000000000000
	//化为16进制来验证存储形式是否正确：40b00000
	return 0;
}

指数E从内存中的取出的三种情况：

• E不全为0或不全为1

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。

• E全为0

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

如果有效数字M全为0，表示±无穷大（正负取决于符号位s）

下来我们就进行解读博客开始的问题：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
	int n = 9;
	//补码：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
 
	//*pFloat将9解读为浮点数的序列：
	//0 00000000 00000000000000000001001
	//E = 1-127 = -126
	//M = 0.0000000000000000001001
	//所以V = (-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^(-126)
	//V大约就是为0.000000
	float* pFloat = (float*)&n;
 
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
 
	*pFloat = 9.0;//以浮点数的视角存放浮点型数字
	//1001.0
	//1.001 * 2^3
	//V = (-1)^0 * 1.001 * 2^3
	//S = 0
	//M = 1.001
	//E = 3
	//所以在内存中的存储为：0 00000011 001000000000000000000
	//将9.0解读为整数的补码序列：
	//00000001100100000000000000000000
	//1091567616
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}