C语言数据在内存中的存储

数据类型是数据的基本属性，描述了数据的存储格式和运算规则，不同类型的数据占用着不同大小的存储空间，有着不同的存储格式，能支持的运算和操作也有所不同，因此，在程序中的所有数据，都必须指定其数据类型

• 基本类型

  • 整型数据（"[]"里面的可以省略）

    short
        [signed] short [int]  //在定义一个short类型时，默认为有符号短整型
        unsigned short [int]
    int 
        [signed] int          //在定义一个int类型时，默认为有符号整型
        unsigned int     
    long
        [signed] long [int]   //在定义一个长整型时，默认为有符号长整型
        unsigned long [int]
    

  • 字符型数据

    char
        [signed] char         //在定义一个char类型时，默认为有符号字符型 数值范围：-128~127
        unsigned char         //数值范围：0~255
    

• 浮点型数据

  float
  double
  long double
  

• 构造类型

  • 数组 ([])
  • 结构体（struct）
  • 共用体（union）
  • 枚举类型（enum）

• 指针类型（*）

• 空类型（void）

  • 空类型是 void 类型，它主要用于函数的返回类型，函数的参数，指针类型

• 二进制：

  • 二级制是计算机技术中广泛采用的一种数制，采用0和1两个数码来表示数，基数为2，进位规则是“逢二进一”，借位规则是“借一当二”。

  • 计算机中所有的数据、指令以及符号等都是用二进制代码表示的，一个数在计算机内被表示的二进制形式称为机器数， 该数称为这个机器数的真值。机器数具有以下特点：

    • 机器数有固定的位数，因此机器数能够表示的数是在一定范围内的，超过这个范围就会产生“溢出”，因此计算机内部整型数据同样只能表示一定范围内的整数。

    • 有符号整数：机器数中采用符号位（一般是最高位，取0或1表示）表示整数的正或负。

      无符号整数：没有采用符号位。C语言中定义了有符号整数和无符号整数

    • 不管是正整数、负整数、无符号整数，在计算机中都是以补码的形式存储和使用。

• 有符号整数用最高位表示符号（正或负），其余位表示数值大小

• 无符号整数所有位都用于表示数值的大小

  以一个字节（8位）为例（char类型）：

  无符号整数的最大值为256； (256)₁₀ = (1111 1111)₂

  有符号整数的最大值为127； (+127)₁₀ = (0111 1111)₂

  这是因为有符号数中的最高位被移去表示符号位。

符号整数直接用对应的二进制数表示，所有的位都用于直接表示数的大小；

• 有符号整数在计算机内部用补码表示
• 正数的原码、反码、补码均相同

原码：原码的最高位为符号位，0表示正，1表示负，其余位数表示该数的绝对值。通常用 [X]_原 表示X的原码。

• 因为 (17)₁₀ = (10001)₂，那么 [+17]_原 = 00010001。
• 因为 (39)₁₀ = (100111)₂，那么 [-39]_原 = 10100111。
• 根据 [X]_原 能表示的整数范围公式，可以计算一个字节是原码的表示范围是**[-127，127]**

反码：正数的反码和原码相同，负数的原码就是把其原码除符号位外的各位按位取反（即0变1，1变0）。通常用 [X]_反 表示X的反码。

• [+45]_反 = [+45]_原 = 00101101
• 因为 [-32]_原 = 10100000，那么 [-32]_反 = 11011111
• 根据 [X]_反 能表示的整数范围公式，可以计算一个字节是反码的表示范围是**[-127，127]**

补码：正数的补码与原码相同，负数的补码是在其反码的最低有效位上加1。通常用 [X]_补 表示X的补码。

• [+14]_补 = [+14]_补 = 00001110

• 因为 [-36]_原 = 10100100，而 [-36]_反 = 11011011，所以 [-36]_补 = 11011100

• 根据 [X]_补 能表示的整数范围公式，可以计算一个字节是反码的表示范围是**[-128，127]**

• 补码的意义：采用补码可以将减法变为加法，省去减法器；又由于乘除可通过移位和加减来实现，于是使四则运算在计算机中能转化为对补码的简单移位和相加，大大简化计算机运算部件的电路设计，此外，补码与原码相互转换，其运算过程是相同的。

  • 公式如下：[ X+Y ]_补 = [ X ]_补 + [ Y ]_补 和 [ X-Y ]_补 = [ X ]_补 + [ -Y ]_补

具体在操作符章节讲解

• 首先我们来看整型数据在编译器下的内存是怎么存储的？

  #include 
  int main()
  {
  	int a = 10;    //10的补码：00000000000000000000000000001010  转换为十六进制：0000000a
  	int b = -10;   //-10的补码：11111111111111111111111111110110 转换为十六进制：fffffff6
  	return 0;                  
  }
  

• 我们发现，在编译器运行时，存储在内存里面的数据是倒着存储，这是为什么呢？

• 什么是大端小端？

  • 大端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的高地址，而数据的高位，保存在内存的低地址中；
  • 小端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的低地址，而数据的高位，保存在内存的高地址中；

• 为什么有大小端？

  • 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个bit。但是在C语言中除了8bit的char类型以外，还有16bit的short类型，32bit的long类型，另外，对于数位大于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。

• 设计一个小程序来判断当前机器的字节序

  #include 
  int main()
  {
  	int a = 1;
  	char* p = (char*)&a;
  	if (*p == 1)
  	{
  		printf("小端");
  	}
  	else
  	{
  		printf("大端");
  	}
  	return 0;
  }
  

• 根据国际标准IEEE（电气和电子工程协会）754，对任意一个二进制浮点数V可以表示成下面的形式；

  • (-1) ^ S * M * 2 ^ E

    • 其中：(-1) ^ S 表示符号位，S=0，V为正数；S=1，V为负数。

    • M 为有效数字，且其范围：1<=M<2；

    • 2 ^ E 表示指数位

    • 例：

      (5.0)₁₀ =(101.0)₂，相当于(-1)^0*1.010*2^2 即1.01*2^2；可以得出：S=0；M=1.01；E=2。

      (-5.0)₁₀ =(-101.0)₂，相当于(-1)^1*1.010*2^2 即-1.01*2^2；可以得出：S=1；M=1.01；E=2。

• IEEE 754 规定

  • 对于32位的浮点数（即float类型），最高位是符号位S，占用一个bit位；接着是指数E，占用8个bit位；剩下的是有效数字E，占用23个bit位。

• 对于64位的浮点数（即double类型），最高位是符号位S，占用一个bit位；接着是指数E，占用11个bit位；剩下的是有效数字E，占用52个bit位。

• IEEE 754对有效数字M和指数E，还有一些特别规定

  • 对于有效数字M：

    前面我们讲过，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

    例如：保存1.01时，只保存01，等到读取的时候，再把第1位加上去，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舍去之后，就可以保存24位有效数字了。

  • 对于指数E：

    • IEEE 754规定：在存入内存时，E的真实值必须在加上一个中间数，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。

      例如：2^10中E是10，所以保存成32浮点数时，必须保存为10+127=137，即10001001；

    • 指数E从内存中取出还要分为3中情况：

      • E不全为0或不全为1：

        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。

      • E全为0：

        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很小的数字

      • E全为1：

        如果有效数字M全为0，表示±无穷大（正负取决于符号位）

• 例：

• 例1：

  int main()
  {
  	float f = 5.5f;
  	//转换为二进制：101.1
  	//表示成：(-1)^0 * 1.011 * 2^2   S=0；M=1.011；E=2；
  	//存入内存：S存入0   M存入011   E存入2+127=129
  	//内存区域：0 10000001 01100000000000000000000 （二进制）
  	//内存区域：40 b0 00 00  （十六进制）而这个就是编译器下内存中展示的
  	return 0;
  }
  

• 例2：

• #include 
  int main()
  {
  	int n = 9;
  	float* pFloat = (float*)&n;
  	printf("n的值为：%dn", n);
  	printf("pFloat的值为：%fn", *pFloat);
  
  	*pFloat = 9.0;
  	printf("num的值为：%dn", n);
  	printf("*pFloat的值为：%fn", *pFloat);
  	return 0;
  }//编译结果：
  //n的值为：9
  //pFloat的值为：0.000000
  //num的值为：1091567616
  //*pFloat的值为：9.0
  

  • 为什么会出现这样的结果？