C语言L / 数据在内存中的存储

一、整数在内存中的存储

在讲解操作符的时候，我们就讲过了下面的内容：
整数的2进制表示法有三种，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”，?1表示“负”，而数值位最高位的?位是被当做符号位，剩余的都是数值位。

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?律?补码来表?和存储。
原因在于，使?补码，可以将符号位和数值域统?处理；
同时，加法和减法也可以统?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。
?

二、大小端字节序和字节序判断

当我们了解了整数在内存中存储后，我们调试看?个细节：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 0x11223344;
	return 0;
}

调试的时候，我们可以看到在a中的 0x11223344 这个数字是按照字节为单位，倒着存储的。这是为什么呢？
?

1、什么是大小端

其实超过?个字节的数据在内存中存储的时候，就有存储顺序的问题，按照不同的存储顺序，我们分为?端字节序存储和?端字节序存储，下?是具体的概念：

大端（存储）模式：是指数据的低位字节内容保存在内存的?地址处，?数据的?位字节内容，保存在内存的低地址处。

小端（存储）模式：是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，?数据的?位字节内容，保存在内存的?地址处。上述概念需要记住，方便分辨大小端。

2、为什么有大小端?

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?个字节，?个字节为8bit位，但是在C语?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?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?于?个字节，那么必然存在着?个如何将多个字节安排的问题。因此就导致了?端存储模式和小端存储模式。

例如：?个 16bit 的 short 型 x ，在内存中的地址为 0x0010 ， x 的值为 0x1122 ，那么0x11 为?字节， 0x22 为低字节。对于?端模式，就将 0x11 放在低地址中，即 0x0010 中，0x22 放在?地址中，即 0x0011 中。小端模式，刚好相反。我们常?的 X86 结构是小端模式，而KEIL C51 则为?端模式。很多的ARM，DSP都为?端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是?端模式还是?端模式。
?

2.3 练习

2.3.1 练习1

请简述?端字节序和?端字节序的概念，设计?个小程序来判断当前机器的字节序。

// 代码1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
	int i = 1;
	return (*(char*)&i);
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("?端\n");
	}
	else
	{
		printf("?端\n");
	}
	return 0;
}
//代码2
int check_sys()
{
	union
	{
		int i;
		char c;
	}un;
	un.i = 1;
	return un.c;
}

2.3.2 练习2

#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;
}

2.3.3 练习3

//代码1
#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = -128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

//代码二
#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = 128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

2.3.4 练习4

#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;
}

2.3.5 练习5

//代码1
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
		printf("hello world\n");
	}
	return 0;
}

//代码2
#include <stdio.h>
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}

2.3.6 练习6

int main()
{
	int a[4] = { 1, 2, 3, 4 };
	int* ptr1 = (int*)(&a + 1);
	int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);
	printf("%x,%x", ptr1[-1], *ptr2);
	return 0;
}

三、浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：3.14159、1E10等，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 练习

#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);
	*pFloat = 9.0;
	printf("num的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

3.2 浮点数的存储

上?的代码中， num 和 *pFloat 在内存中明明是同?个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么?？
要理解这个结果，?定要搞懂浮点数在计算机内部的表??法。
根据国际标准IEEE（电?和电??程协会）754，任意?个?进制浮点数V可以表?成下?的形式：V = (-1) ? S M ? 2E?
? (-1)S 表?符号位，当S=0，V为正数；当S=1，V为负数
? M表?有效数字，M是?于等于1，?于2的
? 2E 表?指数位
?进制的5.0，写成?进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2 。
那么，按照上?V的格式，可以得出S=0，M=1.01，E=2。
?进制的-5.0，写成?进制是 -101.0 ，相当于 -1.01×2^2 。那么，S=1，M=1.01，E=2。IEEE754规定：
对于32位的浮点数，最?的1位存储符号位S，接着的8位存储指数E，剩下的23位存储有效数字M
对于64位的浮点数，最?的1位存储符号位S，接着的11位存储指数E，剩下的52位存储有效数字M
?

3.2.1 浮点数存的过程

IEEE754对有效数字M和指数E，还有?些特别规定。

前?说过， 1≤M<2 ，也就是说，M可以写成 1.xxxxxx 的形式，其中 xxxxxx 表??数部分。IEEE754规定，在计算机内部保存M时，默认这个数的第?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?位的1加上去。这样做的?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?位的1舍去以后，等于可以保存24位有效数字。?于指数E，情况就比较复杂

首先，E为?个?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IEEE754规定，存?内存时E的真实值必须再加上?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。
?

3.2.2 浮点数取的过程

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?下?的规则表?，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?位的1。
?如：0.5的?进制形式为0.1，由于规定正数部分必须为1，即将?数点右移1位，则为1.0*2^(-1)，其阶码为-1+127(中间值)=126，表?为01111110，?尾数1.0去掉整数部分为0，补?0到23位00000000000000000000000，则其?进制表?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?位的1，?是还
原为0.xxxxxx的?数。这样做是为了表?±0，以及接近于0的很?的数字

0 00000000 00100000000000000000000

E全为1

这时，如果有效数字M全为0，表?±?穷?（正负取决于符号位s）；

0 11111111 00010000000000000000000

3.3 题目解析

下?，让我们回到?开始的练习
先看第1环节，为什么 9 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？
9以整型的形式存储在内存中，得到如下?进制序列：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

?先，将 9 的?进制序列按照浮点数的形式拆分，得到第?位符号位s=0，后?8位的指数
E=00000000 ，
最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 0000 1001。
由于指数E全为0，所以符合E为全0的情况。因此，浮点数V就写成：
?? V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
显然，V是?个很?的接近于0的正数，所以??进制?数表?就是0.000000。
再看第2环节，浮点数9.0，为什么整数打印是 1091567616?
?先，浮点数9.0等于?进制的1001.0，即换算成科学计数法是：1.001×2^3
所以：9.0 = (-1) ?0 (1.001) ?23 ，
那么，第?位的符号位S=0，有效数字M等于001后?再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010
所以，写成?进制形式，应该是S+E+M，即

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位的?进制数，被当做整数来解析的时候，就是整数在内存中的补码，原码正是
1091567616 。
?