C语言总结九：数据的存储详细总结

发布时间：2024年01月12日

? ? ? ?了解数据在内存中的存储能够更好的加深对于计算机的数据的理解，对于排除错误和加深对C语言的理解至关重要，本篇博客主要总结整数和浮点数在内存中的存储方式，相信学完本篇博客，会有更大的收获!

一、数据类型介绍

1.1 基本内置类型

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。数据的存储方式

注意事项：

? ? ? 1. C语言没有字符串类型，存储字符串用的是字符数组(栈区)或者字符串指针(常量区)。

? ? ? 2. 对于long类型字节的规定：c语言对long定义的标准：sizeof(long) >= sizeof(int)
? ? ? ? ?在32位机器：占用4字节，在64位机器：占用8字节。

? ? ? 3.?C语言没有内置布尔类型bool，C语言其实原来并没有为布尔值单独设置一个类型，而? ? ? ? ? ?是使用整数0在表示假，非零表示真。在C99中也引入了布尔类型，是专门表示真假。? ? ? ? ? ? ?布尔类型变量的取值是：true或者false。

二、类型的基本归类

2.0 signed 和 unsigned的理解

（1）signed和unsigned关键字用于指定整数类型的符号：

?signed: 有符号整数类型，可以表示正数和负数。默认情况下所有整数类型(char、short、int、long)都是signed的。
?unsigned: 无符号整数类型，只能表示非负整数，范围比signed类型更大。

（2）主要区别：

存储表示：signed类型用二进制最高位表示数值的符号，正数为0,负数为1。unsigned类型最高位都是数值本身，不表示符号。
数值范围：signed类型的范围依赖于其位宽。unsigned类型没有符号位，所以范围比signed类型更大。

2.1 整型家族

更长的整型 //C99中引入?long long：占用8个字节，默认情况下为:signed

?signed?long long
?unsigned long long?

以char类型为例：

（1）?signed char表示的数值范围：最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。

（2）unsigned char表示的数值范围：全部为数值位。

其他整型类型同理，下面给出表格：

2.2 浮点数家族

单精度浮点数：精度低，存储数值范围小；
双精度浮点数：精度高，存储数值范围大。

2.4 构造类型

? ? ? ?构造类型也成为自定义类型，主要包括以下内容：

//数组是一组相同类型数据的集合，也可认为是自定义类型
如： int arr[10]={0}   类型为：int [10]
如： char arr[10]={0}   类型为：char [10]

2.5?指针类型

字符指针 char *
短整型指针 short *
整型指针 int *
void *
...

注意事项：

? ? ? 指针大小只与平台有关，与类型无关，x86（32位）指针占4个字节大小，x64（64位）指针占8个字节大小。那么为什么指针还要分类型？指针类型的意义在哪里？

1、指针的类型决定了指针解引用访问数据的访问权限，访问的字节数；

2、指针的类型决定了指针走一步能走多大步，即指针+1的能力！

2.6?空类型

void 空类型
? ? ? ? ?通常用于函数的返回类型，函数的参数，指针类型

三、整型在内存中的存储

3.1 原码、反码、补码

? ? ? ?这一节在上一期已经总结过，这里简单说明。

3.2 大小端介绍

3.2.1 什么是大小端？

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。

3.2.2 为什么会有大小端？

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。

设计一个小程序判断当前机器的字节序
思路：
? ? ? ?假设int a = 1 时，a的补码转换成16进制0x00000001，取a的第一个字节的内容，即从低地址取一个字节的内容；如果第一个字节为01，则为小端字节序；如果第一个字节为00，则为大端字节序。?

3.3 练习

3.3.1?整型值赋值给signed char和unsigned char

解题入手点：

将整型值转换为补码二进制
截断，将整型值的补码的低八位存储到signed char或unsigned char变量中
输出时，signed char和unsigned char都需要需要整型提升；
将signed char的整型提升后的补码转换成原码后输出，unsigned char直接输出。

（1）%d打印该二进制序列(补码)对应的有符号的十进制数（认为这个数的最高位是符号位），如果最高位是0，代表是正数，不需要转换原码，如果最高位是1，代表是负数，需要转换成原码，然后输出。

（2）%u打印该二进制序列(补码)对应的无符号的十进制数（认为这个数全是数值位），不需要转换成原码，直接计算输出。

(1)将整型值-1分别赋值分signed char和unsigned char

1.//输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -1;
    signed char b = -1;
    unsigned char c = -1;
    printf("a=%d\nb=%d\nc=%d", a, b, c);
    return 0;
}

结果分析：

-1的二进制如下：
原码->1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
反码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
-1的低八位：1111 1111
则变量a 的二进制位：1111 1111
? ? ? ? 变量b的二进制：1111 1111
? ? ? ? 变量c的二进制：1111 1111
输出：%d为有符号的十进制整型值打印，a,b,c为char,需要进行整型提升
a和b为符号数，则整型提升的二进制如下:
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 ，%d打印认为它是有符号数，且最高位为1，是负数，因此需要转换成原码。
原码->1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001->十进制为-1
c为无符号数，整型提升的二进制如下
补码->0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111
%d打印认为它是有符号数，且最高位为0，是正数，因此不需要转换成原码。
原码->0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111->十进制为255

（2）将整型值-128赋值给signed char?

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

结果分析：

-128的二进制如下
原码->10000000 00000000 00000000 10000000
反码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 1111
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000
-128的低八位：1000 0000
a存储的二进制为：1000 0000
输出：
%u打印该二进制序列(补码)对应的无符号的十进制数（认为这个数全是数值位），不需要转换成原码，直接计算输出。
a为char，则需要进行整型提升，整型提升的二进制如下
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000
将整型提升的补码直接输出
? ? ? ? ? ?1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000->十进制4294967168

%d打印该二进制序列(补码)对应的有符号的十进制数（认为这个数的最高位是符号位），如果最高位是0，代表是正数，不需要转换原码，如果最高位是1，代表是负数，需要转换成原码，然后输出。
整型提升的二进制
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000，最高位为1，代表是负数，需要转换成原码再输出对应的十进制数
原码->1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000->十进制-128

?(3)?将整型值128赋值给signed char

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

结果分析：

?128的二进制如下（正整数原码、补码、反码相同）
补码->0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000
128的低八位1000 0000
a存储的二进制：1000 0000

输出：
%u打印该二进制序列(补码)对应的无符号的十进制数（认为这个数全是数值位），不需要转换成原码，直接计算输出。
a为char，则需要进行整型提升，整型提升的二进制如下
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000
将整型提升的补码直接输出：
? ? ? ? ? ?1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000->十进制4294967168

%d打印该二进制序列(补码)对应的有符号的十进制数（认为这个数的最高位是符号位），如果最高位是0，代表是正数，不需要转换原码，如果最高位是1，代表是负数，需要转换成原码，然后输出。
整型提升的二进制
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000，最高位为1，代表是负数，需要转换成原码再输出对应的十进制数
原码->1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000->十进制-128

（4）无符号数与有符号数计算输出

#include <stdio.h>
int main()
{  
    int i= -20;
    unsigned  int  j = 10;
    printf("%d\n", i+j); //按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数
    printf("%u\n", i+j); 
    return 0;
}

?结果分析：

? ? ?-20的二进制序列补码如下：
原码->1000 0000 0000 0000 0000 0000 0001?0100

反码->1111? 1111 1111 1111 1111 1111 1110 1011

补码->1111? 1111?1111 1111 1111 1111 1110 1100
? ? ?10的二进制序列补码如下：

补码->0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000?1010

两个相加结果如下：

? ? ? ? ??1111? 1111?1111 1111 1111 1111? 1111 0110

输出：

%d打印该二进制序列(补码)对应的有符号的十进制数（认为这个数的最高位是符号位），如果最高位是0，代表是正数，不需要转换原码，如果最高位是1，代表是负数，需要转换成原码，然后输出。
? ? ?观察结果的补码，最高位为1，代表是负数，需要转换成原码：

补码：?1111? 1111?1111 1111 1111 1111? 1111 0110

反码：?1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

原码：?1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010->十进制数-10
?

%u打印该二进制序列(补码)对应的无符号的十进制数（认为这个数全是数值位），不需要转换成原码，直接计算输出。

两个相加结果如下：

? ? ? ? ??1111? 1111?1111 1111 1111 1111? 1111 0110?

全部当成数值位，直接将补码输出，? ??1111? 1111?1111 1111 1111 1111? 1111 0110?->十进制数4294967286

?（5）将负数赋值给unsigned int

#include <stdio.h>
int main()
{
    unsigned int i;
    for(i = 9; i >= 0; i--)
      {
       printf("%u\n",i);
       sleep(1000)
      }
    return 0;
}

?结果分析：

?当i变为-1时
-1的二进制如下：
原码->1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
反码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
将二进制1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111保存到unsigned int变量i中
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111->十进制为4294967295
程序陷入无限循环。
（无符号数永远大于等于0，上限取决于位宽，因此会陷入死循环）

?（6）将-1,-2…-1000依次赋值给char str[1000]

#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;
}

?结果分析：

char的取值范围[-128,127]
str[0] = -1,str[1] = -2…str[127] = -128;
当str[128] = -129时，超出char的取值范围时，则
-129的二进制
原码->1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0001
反码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 1110
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 1111
str[128]存储的二进制为0111 1111
二进制0111 1111->十进制127
直到str[255] = -256时，
-256的二进制
原码->1000 0000 0000 0000 0000 0001 0000 0000
反码->1111 1111 1111 1111 1111 1110 1111 1111
补码->1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000
str[255]存储的二进制为0000 0000->十进制0，0对应的字符为’\0’
?

?（7）死循环问题

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

?结果分析：

? ? ? 无符号数char取值范围：0-255，恒成立，陷入死循环！

四、浮点型在内存中的存储

浮点型家族

float
double
long double(c99)的范围在<float.h>头文件中定义
整型家族表示范围在<limits.h>头文件中定义

4.1 浮点数存储例子

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

4.2 浮点数在内存中的存储格式

4.2.1 浮点数的表示形式

根据国际标准IEEE754，任意一个二进制浮点数V可以写成：

浮点数公式：(-1)^S * M * 2^E

S表示符号位，0表示正数，1表示负数；
M表示有效数字， 1 <= M < 2；
E表示指数位

例子1：
假设一个十进制浮点数V = 5.0f，化成二进制为101.0
根据二进制科学计数法，101.0 -> 1.01 * (2 ^ 2)-> (-1)^0 * 1.01 * (2^2)
则此时S = 0、M = 1.01、E = 2

例子2：
假设一个十进制浮点数V = 9.5f，化成二进制为1001.1
根据二进制科学计数法，1001.1->1.0011 * (2 ^ 3) -> (-1)^0 * 1.0011 * (2^3)
则此时S = 0、M = 1.0011、E = 3

4.2.2 浮点数的存储格式

4.3 IEEE 754对有效数字M和指数E的规定

4.3.1 对存储有效数字M的规定

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。

4.3.2 对存储指数E的规定

? ? ? 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！如何解决呢？

? ? ? ? IEEE754规定，存入内存的值为E的真实值再加上一个中间值
下面根据不同位数进行叙述：

（1）E在32位浮点数的存储格式

E的取值范围：0~255
E的中间值：127
存储值 = 真实值+中间值
例如：
当一个浮点数的指数为2^10时，E的真实值为10，则存储值 = 10 + 127 = 137，即10001001，不够23位，用0补齐
则M在内存的表示为 1000 1001 0000 0000 0000 000

（2）E在64位浮点数的存储格式

E的取值范围：0~2047
E的中间值：1023
存储值 = 真实值+中间值

4.3.3 对读取有效数M和指数E的规定
（1）当E在内存存储的值不全为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。

（2）当E在内存存储的值为全0时

浮点数的指数E的真实值 = (1 - 127) 或 (1-1023）
有效数字M不再加上第一位1，而是还原为0.xxx的小数。
这样做是为了表示正负0,以及接近于0的很小的数。

（3）当E在内存存储的值为全1时

这时，如果有效数字M全为1，表示正负无穷大（正负取决于符号位S）

? ?以上便是数据存储的所有内容，相信你一定大有收获，可以留下你们点赞、关注、评论，您的支持是对我极大的鼓励，下期再见！?

文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_47040031/article/details/135509949
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