【提升C语言基础知识】数据在内存中的存储

1.整数在内存中的存储

1.1 原码，反码，补码

整数（占4个字节，即32个bit）的二进制表示方法有3种，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

原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制得到的就是原码

反码：将原码符号位（最高位，0为正，1为负）不变，其余位按位取反得到反码

补码：反码+1得到补码（补码得到原码也可以使用 取反，+1 的操作）

正整数的原，反，补码都相同，如下

int a = 10；
//00000000000000000000000000001010 - 原码
//00000000000000000000000000001010 - 反码
//00000000000000000000000000001010 - 补码

负整数的原，反，补码各不相同，如下

int b = -10;
//10000000000000000000000000001010 - 原码
//11111111111111111111111111110101 - 反码
//11111111111111111111111111110110 - 补码

对于整型来说：数据存放内存中其实存放的是二进制的补码

1.2 大小端问题

我们设置一个整型的n的地址为 0x11223344

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 0x11223344;//两个16进制位表示8个2进制位
	return 0;
}

当调试查看内存的存放的时候，发现地址存放顺序是反的，为 44 33 22 11，我们需要注意：

1.数据在内存中储存的是二进制的补码

2.在调试窗口观察时，为方便显示，显示的是16进制

3.存放顺序是倒着的

1.2.1大小端字节序存储（以字节讨论）

我们上面的地址 0x11223344 可以看成 0x 11 22 33 44 ，在10进制中比如123这个数，3是个位，2是十位，1是百位，右边是低位，左边是高位，可以理解为右边是小端，左边是大端，在16进制中也一样，44是低位，11是高位

大端字节序存储：把一个数据的低位字节的内容储存到高地址处，把高位字节的内容储存到低地址处

小端字节序存储：把一个数据的低位字节的内容储存到低地址处，把高位字节的内容储存到高地址处

所以当前存储方式为 小端字节序存储

1.3 相关练习

练习1

设计一个程序判断当前机器的字节序

参考答案

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 1;
	if (*(char*)&a == 1)  // &a ：01 00 00 00
		printf("小端"); 
	else                  // &a ：00 00 00 01
		printf("大端"); 
	return 0;
}

练习2

下面代码的输出结果是什么？

#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);
}

答案

a=-1, b=-1, c=255

解析

char类型占1个字节，就是8个bit位，取的是后8位；

signed char是有符号char，最高位是符号位，其余7位是数值位，正号补码范围是00000000（0）~01111111（127），负号补码范围是10000000（-128）~11111111（-1），为了不浪费数据，补码为10000000的默认为是-128，所以 signed char的取值范围是-128~127； unsigned char是无符号char，所有位都是数值位，从00000000（0）~11111111（255），所以unsigned char的取值范围是0~255；

用%d打印，类型需要提升为整型，signd补齐高位时看符号位，符号位是1补1，是0补0，unsignd全补0

练习3

下面程序结果是什么？

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

答案

255

解析

strlen计算的是‘\0’之前的元素个数，'\0'的ASCII码值是0；

2. 浮点数在内存中的存储

任意一个二进制浮点数V都可以表示成下面的形式：

比如

所以浮点数的存储其实存的是S，M，E相关的值

对于32位的浮点数(float)，最高1位存储符号位S，后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(double)，最高1位存储符号位S，后11位存储指数E，剩下的52位存储有效数字M

2.1 浮点数存的过程

有效数字M

因为 $1\leq M< 2$ ，所以M可以写成1.xxxxxxde形式，其中xxxxxx表示小数部分

在计算机内部保存M时，默认这个数的第一位总是1，因此可以舍去，只保留后面的xxxxxx部分，如，保存1.01时，只保存小数点后的01，等读取时再把小数点前的1加上，这样做的目的是节省1位有效数字，以32位浮点型为例，留23位保存M，将第一位舍去后，等于可以保留24位有效数字

指数E

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，范围是0~2047，但是科学计数法中E是可以出现负数的，所以规定存入内存时E的真实值必须加上一个中间值，对于8位E，这个中间值是127，对于11位，这个值是1023，比如，2^10的E是10，保存32位浮点数时，必须保存成10+127=137，即10001001

2.2 浮点数取的过程

指数E从内存中取出可分为3种情况

1）E不全为0，或E不全为1

此时指数E的计算值减去127（或1023），得到真实值，再将有效值M前加上第一位的1

如，0.5

十进制：0.5
二进制：0.1
由于正数部分必须为1,则
将小数点右移1位：1.0*2^(-1)
其补码为：（-1）+127=126
表示为：01111110
位数去掉整数部分为0
补齐0到23位：0 01111110 00000000000000000000000

2）E全为0

此时指数E等于1-127（或1-1023）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，这样是为了表示 $\pm 0$ ，以及接近于0的很小的数字

0 00000000 00010000000000000000000

3）E为全1

此时代表正负无穷大的数字

0 11111111 00010000000000000000000

2.3相关练习

输出结果是？

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 9;
	float* p = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*p的值为：%f\n", *p);

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

答案：

n的值为：9
*p的值为：0.000000
n的值为：1091567616
*p的值为：9.000000

解析:

以整型视角存储9

00000000 00000000 00000000 00001001 //9的二进制
0 00000000 000000000000000000001001 //p认为是float类型

当内存中E全为0时，这个数字无限接近0，用%f打印小数点后6为，结果为0.000000

以float视角存储9.0

1001.0 //二进制
1.001*2^3 //化为二进制科学计数法

此时S=0，M=1.001，E=3

0 10000010 00100000000000000000000 //浮点数视角
01000001 00010000 00000000 00000000 //整型视角

将上面的二进制用%d打印出来就是一个很大的数字

本次分享就到这里，感谢阅读！

标签：存储,字节,int,浮点数,补码,基础知识,char,内存,C语言
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