在之前的二进制及其相关操作符与结构体内存对齐两篇文章中,我们已经对二进制数,原码反码补码进行了浅层的了解,并且也知道了高低地址以及高低字节的区别,那么既然知道了这些基础知识,就让我们借助这一层台阶,继续往更高的地方(数据在内存中的存储)大迈步吧~
一、二进制数
日常生活中我们所接触的数字都是10进制,对于其他进制的数字可能听过但不一定真正的清楚并了解,比如除了10进制,还有2进制,8进制,16进制。其实由称呼就能知道的区别,比如10进制就是每十个数进一位,1 2 3 4 5...9->10,这样就是10进制,(生活中也有很多不同进制的数字,比如年月日中年和月的进制就是12进制,或者小时和分,分和秒的进制是60。)其他进制的数字也同样是一个道理。
9的各种进制形式
16进制:9 //10以上的数字分别用ABCDEF代替
8进制:11
2进制:1001
//16进制的数值之前写:0x
//8进制的数值之前写:0
二、原码 反码 补码
数字在内存中存储时是二进制数字。而一般将数据存放在内存中时存放的是补码。(重要!!)
原码:就是将数字转换成2进制数字的形式就是原码。
反码:将原码中的0换成1,1换成0就是反码。
补码:在反码的基础上+1就是补码。
内存中二进制数最左边的数字是符号位,0表示"正",1表示"负"。
三、大端与小端存储模式
上面我们了解了基础的二进制数与原码反码补码,并且知道了数据存放在内存中存放的是补码。那么字节存放在地址中应该以何种顺序存放呢?这就引出了我们的大端与小端存储模式。
让我们先来看一段代码:
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 0x11223344;
return 0;
}
我们明确的定义了a,而当我们运行代码,并且对a的地址进行查看时会发现:
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?这就需要我们学习此次我们提到的大端与小端存储模式了。
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。
(计算机读址的顺序是从低地址开始读向高地址)
我们假设一个16进制数字num为0x01 02 03 04,那么大端模式下将它存储,存放顺序就应该为:
而在小端模式下将它存储,存放顺序应该为:
大端存储和小端存储各有优缺点。
大端存储的优缺点:大端存储在直观性和顺序性方面具有优势,但在传输效率和空间利用率方面略逊于小端存储。
小端存储的优缺点:小端存储虽然在节约空间和提高读写速度方面有优势,但违背了人类的直观认识,并可能引发平台依赖性问题。
四、为什么会有大小端存储
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 位,但是在C语言中除了8bit的 char 之外,还有16bit的 short 型,32bit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 0x11 为高字节, 0x0010 , x 的值为 0x22 为低字节。对于大端模式,就将 0x22 放在高地址中,即 0x1122 ,那么 0x11 放在低地址中,即 0x0011 中。小端模式,刚好相反。
我们常用的 0x0010 中, 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。
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 0x11223344;
short b = 0x7788;
return 0;
}
而当我们定义int a = 0x11223344和short b = 0x7788后,在VS中运行此代码并对其进行监视内存时会发现:数据在内存中是顺着存的,即数据的低位保存在内存的低地址中,b同理,说明这个编译器里的存储模式为小端存储模式。
让我们来做一道练习题,帮助我们透彻的了解大端与小端存储模式:
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。
先让我们回忆一下大小端字节存储模式的定义:大端存储是指(低字节存在高地址)而小端存储是(低字节存在低地址),两者恰好相反。而刚刚我们的int a = 0x11223344在小端存储模式的VS编译器中存储形式就是:而在大端存储中就是:
那么此时我们int a = 1 (也就是 a = 0x00 00 00 01),那么再将它分别按照大端存储与小端存储。
大端存储形式下,第一个字节里存的就会是00。而小端存储形式下,第一个字节里存的就会是01。我们知道,不同类型的地址解引用后访问的字节大小也不同,如果是int* 那么则访问4个字节,而如果是char*类型,就访问1个字节。那么由此我们就能得到解题的灵感:创建一个整形变量使其大小为1(0x00 00 00 01),然后使用char型指针取出它的第一个字节里的数据(低地址的数据),然后查看其是 00 还是 01 便能够判断出此便于环境是大端存储还是小端存储了~
int Num()
{
int a = 1;
char* p = (char*)&a;
if (*p == 1) {
printf("小端\n");
}
else {
printf("大端\n");
}
}
int main()
{
Num();
return 0;
}
五、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。
对于浮点数在内存中的存储,光说可能会表述比较模糊,那么让我们先用一道练习题来试试看:
#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;
}
这段代码运行起来后,打印出的是什么呢?大家在了解浮点数在内存中的存储前,或许会非常自信且理所当然的给出答案:9,9.000000,9,9.000000。但其实这是错误的,实际上答案是:为什么明明是两个一样的数,对浮点数和整数的读取结果差别会如此之大呢?
让我们先了解一下浮点数的存储: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
Ⅰ- (-1)^S 表示符号位,当S = 0,V为正数;当S = 1,V为负数。
Ⅱ- M表⽰有效数字,M是⼤于等于1,⼩于2的
Ⅲ- 2^E表⽰指数位
举例来说:
十进制的5.0
写成二进制形式是101.0
转换成浮点数V表达形式相当于
V = 1.01*2^2
由此格式可以得出: S = 0; M = 1.01; E = 2。
而十进制的-5.0,写成二进制形式是-101.0。与5.0非常相似,唯一相差的点就是5.0的S是0,而-5.0的S是1。
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
float类型浮点数内存分配这就是二进制在float类型浮点数内存分配的格式,而 IEEE 754 对有效数字M和指数E也有一些特殊规定:
M的取值范围是: M [1,2]
则M可以写成这种形式:
1.xxxxxx (xxxxxx表示效数部分)
(因为计算机内部保存M时,默认这个数第一位总是1)
(因此可以被舍去,只保存后面的xxxxxx部分)
比如保存1.01时,可以只保存01,等到读取时再将第一位的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。
以上便是M的特殊规定。而对于E的规定稍微有些繁琐,分为三种情况:
① 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:
1 0 01111110 00000000000000000000000
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。
1 0 00000000 00100000000000000000000
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);
1 0 11111111 00010000000000000000000
了解完这些之后,我们再返回去看刚刚的问题。
Ⅰ 为什么9变成浮点数后,打印出来就变成了0.000000?
首先,9的二进制形式是:
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
首先我们按照浮点数形式拆分格式,将9的二进制进行拆分。得到第一位符号位S = 0,后面8位指数E = 00000000,最后23位有效数字M = 000 0000 0000 0000 0000 1001。此时我们需要注意E全部为0,也就是符合上述第二种情况,因此浮点数V就能写成:
V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
显然V是一个很接近0的正数(通过上述E全为0的情况描述也能直接知道整数形式为0)
Ⅱ 浮点是9.0为什么整数打印这么大?
首先浮点数9.0等于二进制的1001.0,按照形式写是 1.001 * 2^3,也就是(-1)^0 * (1.001) * 2^3。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,所以写成二进制应该为S+E+M,即
1 0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000
将这个数字读成整数,就是在内存中的补码,而原码正是1091567616。
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浮点数在内存中的存储存在精度损失。
比如我们想将3.14在编译器中存入内存中,那我们试着写一下它存入内存的二进制形式:
3的二进制是101,0.14要写成二进制的0......我们要知道,0.后面的每一位相当于2^-n次幂,0.1代表(1/2)0.5,0.01代表(1/4)0.25,0.001代表(1/8)0.125,......想要用这种形式的,不精准的数字去精确的表示0.14,或许就需要用很多很多位数,才能够准确表示,而这种数据的存储是有限制的,或许有时候甚至用64位的浮点数内存分配,也除不尽这个数。所以就会出现无法准确存储3.14从而造成精度损失。
比如:
#include <stdio.h>
int main()
{
if (0.1 + 0.2 == 0.3)
printf("==");
else
printf("!=");
return 0;
}
按照原来的常规思路来看,或许我们会认为输出的肯定就是==,但其实这0.1和0.2,0.3浮点数存入内存中时,由于无法除尽,导致造成了精度损失,从而可能在0.0000...很后面的数字,并没有完全相等,所以输出!=。
解决方案:
#include <stdio.h>
int main()
{
if (fabs(0.1 + 0.2 - 0.3) < 0.0000001)
printf("==");
else
printf("!=");
return 0;
}
(fabs是求浮点数的绝对值,需要的头文件是<math.h>)
写成这种形式,我们自定义一个精度范围,只要精度误差在我们所定义的范围内,那么我们就认为这两个数字相等~
那么关于数据在内存中的存储相关知识,这次就为大家讲解到这里啦~如果有讲解的不清楚,或者有错误的地方还请大家多多指出,我也会虚心学习的~那么我们下期再见啦~
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