C语言初阶 数据在内存中的存储

数据在内存中的存储

在编程的世界里，数据是如何存储和管理的，是每一位开发者都必须了解的基础知识。特别是对于C语言这样的底层语言，理解数据在内存中的存储方式，对于写出高效、安全的代码至关重要。本文将带您深入了解C语言中数据在内存中的存储方式。

1.整数存储

对于整型来说，在内存中存放的其实是补码。在计算机系统中，数值一律按补码来表示和存储。
我们在这可以复习一下二进制 ：

整数的2进制表⽰⽅法有三种，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”，⽤1表⽰“负”，⽽数值位最
⾼位的⼀位是被当做符号位，剩余的都是数值位。
正整数的原、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得到的就是原码。
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。

为什么要用补码存放呢？

1.保证0的唯一性：
在补码表示中，数0只有一种表示形式，即[+0]补 = [-0]补 = 0000…0（这里以n位二进制数为例）。这保证了数的表示的准确性，避免了原码和反码中+0和-0两种表示形式可能带来的混淆。
2.简化加减运算：
使用补码表示，可以将符号位和数值域统一处理，使得加法和减法可以统一为加法运算。这是因为补码具有“模”的性质，使得减去一个数等于加上这个数的补码。这大大简化了计算机的结构设计，并提高了运算速度。
3.扩展数值范围：
对于负数，补码表示的范围比原码和反码稍宽，多了一种数码组合。这增加了数值的表示范围，提高了数据的处理能力。
4.二进制运算的便利性：
补码在计算机中的运算非常便利，因为它符合二进制数的运算规则。无论是加法、减法还是其他运算，都可以通过补码直接进行二进制位运算，而不需要进行额外的符号判断或处理。
5.硬件实现的简单性：
从硬件实现的角度来看，补码表示使得电路设计和实现更加简单。因为加法和减法可以统一为加法运算，所以只需要设计加法器电路即可满足大部分运算需求。

2.大小端字节序和字节序判断

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

运行这段代码，我们可以看到，int a = 0x11223344;在内存中是倒序存储的，这是为什么呢？

2.1.什么是大小端?

大小端（Endian） 是指字节序（byte order）或字节序列（byte sequence），即多字节数据在内存中的存储顺序。这个术语通常用于描述数据在多字节数据项中的字节排列方式，如整数、浮点数等。当超过一个字节的数据在内存中存储的时候，就存在存储顺序的问题。按照顺序的不同，分为大端和小端。

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

2.2.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⼀个字节，⼀个字节为8bit 位。
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。

3.浮点数存储

浮点数在内存中的存储主要遵循IEEE 754标准，这一标准定义了浮点数（包括单精度浮点数float和双精度浮点数double）的表示方式。以下是浮点数在内存中存储的详细概括：

符号位（S）：
表示浮点数的正负。0表示正数，1表示负数。
阶码（E）：
类似于科学计数法中的指数部分，但这里是以2为底数。
存储时，真实的阶码值需要加上偏移基数（对于float是127，对于double是1023）后再进行存储。
尾数（M）：
表示浮点数的有效数字部分，是基数部分。
在IEEE 754标准中，尾数是以1.XXXXX的形式表示的，其中整数部分1是隐含的，不直接存储。

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，M是⼤于等于1，⼩于2的
• 2^E：表⽰指数位

3.1.浮点数存的过程

对于M
当1<=M<2,我们可以将M写出1.xxxxxx的形式，xxxxxx代表小数部分。比如，1.01就会保存成01，等到读取的时候，再加上1。
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。
对于E
首先，E是一个无符号整数。这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0到255；如果E为11位，它的取值范围为0到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。

3.2.浮点数取的过程

E从内存中取出还分为三种情况：E不全为0且E不全为1，E全为0，E不全为1。

1.E不全为0且E不全为1：
这时，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.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。
3.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）。