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【C语言】13.数据在内存中的存储

时间：2024-06-14 23:30:05浏览次数：28  
标签：11111111 13 字节 int 浮点数 C语言 char 00000000 内存

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1.整数在内存中的存储

整数的2进制表示方法有三种，即 原码、反码和补码。

有符号的整数，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”，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。

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。

2.大小端字节序和字节序判断

我们调试看一个细节：

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

    return 0;
}

在这里插入图片描述

2.1 什么是⼤⼩端？

其实超过一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，我们分为大端字节序存储和小端字节序存储：

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8 bit 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。

2.3 练习

2.3.1 练习1

请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。（10分）-百度笔试题

int check_sys() {
	int a = 1;
	if (*(char*)&a == 1) {    // 将整数变量a的地址强制转换为char*类型，这样我们就可以逐字节访问a的内存表示
		return 1;//小端
	}
	else {
		return 0;//大端
	}
}

int main() {
	if(check_sys() == 1) {
		printf("小端\n");
	}
	else {
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

打印：

小端

check_sys()函数也可以简化为：

int check_sys() {
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

2.3.2 练习2

打印什么？

#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);
    return 0;
}

打印：

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

为什么会打印这个呢？

%d打印有符号的整数。

char是有符号还是无符号是不确定的，取决于编译器。大部分编译器上char == signed char

//-1原码：10000000 00000000 00000000 00000001
//-1反码：11111111 11111111 11111111 11111110
//-1补码：11111111 11111111 11111111 11111111
char a= -1;
//char是一个字节，只能存8位，所以会整型提升，
//a的类型是char也就是有符号的char，a的最高位补符号位,这里VS里面是补1。
//a整型提升后的补码：11111111 11111111 11111111 11111111
//a整型提升后的反码：10000000 00000000 00000000 00000000
//a整型提升后的原码：10000000 00000000 00000000 00000001 -->也就是-1
signed char b=-1;
//b也是有符号的char和a一样
unsigned char c=-1;
//c的类型是unsigned char也就是无符号的char，a的最高位补符号位,补0。
//a整型提升后的补码：00000000 00000000 00000000 11111111
//a整型提升后的原码：10000000 00000000 00000000 00000001 -->也就是255

2.3.3 练习3

打印什么？

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

打印：

4294967168

为什么?

%u打印无符号的整数。

-128原码：10000000 00000000 00000000 10000000
-128反码：11111111 11111111 11111111 01111111
-128补码：11111111 11111111 11111111 10000000
a：10000000
a整型提升后的补码：11111111 11111111 11111111 10000000
%u打印无符号的整数。无符号数的原码反码补码是一样的
11111111 11111111 11111111 10000000-->4294967168

打印什么？

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

打印：

4294967168

为什么?

理由同上。

因为a：10000000一个字节整型提升后得到的补码就是

11111111 11111111 11111111 10000000

其实char的取值是-128~127，主要是因为这个原因。这是因为溢出导致的错误。

在这里插入图片描述

从这张图里也可以看出char里面127往后就是-128了

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;
}

打印 ：

255

为什么呢？

strlen求的是字符串的长度，统计的是\0之前出现的字符个数。

如果只看循环的话，是不是要打印1000以后才会出现\0？

既然如此，那为什么会是255呢？

我们要注意：char只能放255个啊！！！

这里都溢出了。

用这张图也可以解释。
在这里插入图片描述

+1就是按照橙色箭头顺时针旋转。

-1就是逆时针旋转。

2.3.5 练习5

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

猜猜看打印多少个hello world？

无限个。

因为i是char类型的，恒小于255。

所以for循环的判断条件会一直满足。

在这里插入图片描述

就像这个图，不断地循环往复。

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

猜猜看打印什么？

无限次打印。

因为i是unsigned int类型的，无符号整型。一个无符号整型肯定>=0，所以for循环的判断条件会一直满足。

所以会死循环。

2.3.6 练习6

代码输出的结果是啥？

#include <stdio.h>
//X86环境 小端字节序
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);//%x是16进制形式打印
    return 0;
}

打印：

4,2000000

为什么呢?

在这里插入图片描述

ptr1[-1]打印0x4，只不过16进制打印的时候不打印0x，所以打印4。

在这里插入图片描述

a是一个地址，强制类型转化成整型。

整数+1，加的就是1。

a占4个字节，(int)a+1作为地址的时候，和起始地址差一个字节。

*ptr2：0x02 00 00 00

16进制不打印0x所以打印2000000

3.浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：3.14159、1E10（也就是1的10次方）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

输出什么？

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

打印：

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

为什么?

3.2 浮点数的存储

上面的代码中， 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。

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：

在这里插入图片描述

举例来说：

十进制的5.0，写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2 。

那么，按照上面V的格式，可以得出S=0，M=1.01，E=2。

十进制的-5.0，写成二进制是 -101.0 ，相当于 -1.01×2^2 。那么，S=1，M=1.01，E=2。

IEEE 754规定：

对于32位的浮点数，最高的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，最高的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

浮点数的存储，存储的就是S，M，E相关的值。

在这里插入图片描述

float类型浮点数内存分配

在这里插入图片描述

double类型浮点数内存分配

3.2.1 浮点数存的过程

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，

比如：

10进制：0.5
2进制：0.1
1.0*2^(-1)
E是-1是负数

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。

举例：

10进制：5.5

2进制：101.1

1.011*2^2

5.5=-1^0 * 1.011 * 2^2

S=0

M=1.011

E=2

E是10，加上127（0111 1111）就变成了1000 0001

0 10000001 01100000 00000000 0000000

代码验证：

int main() {
	float f = 5.5f;

	return 0;
}

S=0

E=2

M=1.011

0 10000001 01100000 00000000 0000000

0100 0000 1011 0000 00000000 00000000

0x40 b0 00 00

在这里插入图片描述

3.2.2 浮点数取的过程

指数E从内存中取出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。

比如：0.5 的二进制形式为0.1，由于规定正数部分必须为1，即将小数点右移1位，则为1.0*2^(-1)，其阶码为：-1+127(中间值)=126，表示为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐0到23位00000000000000000000000，则其二进制表示形式为:

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。

0 00000000 00100000000000000000000

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）；

0 11111111 00010000000000000000000

3.3 题⽬解析

下面，让我们回到一开始的练习

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，得到如下二进制序列：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

首先，将 9 的二进制序列按照浮点数的形式拆分

0 00000000 000 0000 0000 0000 0000 1001

E=00000000

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是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000。

再看第2环节，浮点数9.0，为什么整数打印是 1091567616 ？

首先，浮点数9.0 等于二进制的1001.0，即换算成科学计数法是：1.001×2^3

在这里插入图片描述

那么，第一位的符号位S=0，有效数字M等于001后面再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

也就是

0100 0001 0001 0000 00000000 00000000

0x41 10 00 00也就是1091567616 。

这个32位的二进制数，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 。

标签：11111111,13,字节,int,浮点数,C语言,char,00000000,内存
From： https://blog.csdn.net/hlyd520/article/details/139640058

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