C语言系列——第九节-数据的存储（进阶）
深度剖析数据在内存中的存储
- 1. 数据类型介绍
- 1.1 类型的基本归类
- 1.1.1 整形家族
- 符号数 无符号数
- 1.1.2 浮点数家族
- 1.1.3 构造类型
- 1.1.4 指针类型
- 1.1.5 空类型
- 2. 整形在内存中的存储
- 2.1 原码、反码、补码
- 2.2 大小端介绍
- 大小端判断-> int 类型取地址，强制转char*
- int i = 1; return (\*(char*)&i);
- 2.3 整型提升，原反补码，练习
- （255 127 -128）
- 最大值和最小值相加 -1
- 1.无符号输出 || 整型提升
- 2.**整型提升**
- 3.**整型提升**
- 4.无符号+有符号 = 有符号
- 5. 无符号数（怎么变都是正数）
- 6.strlen只能对字符数组用，但是字符数组可能用整数存储字符
- 7. 无符号数 正整数
- 3. 浮点型在内存中的存储
- 3.1 一个例子
- 3.2 浮点数存储规则
- 浮点数转二进制
- 1. 变成二进制 得到（s）1位
- 2.移动小数点得到 E 8位（可能为负）M 23位
- 3. E再加127 得到S E M
- 二进制转浮点数
- **E不全为0或不全为1**
- **E全为0**。则E的原为 -126
- **E全为1**。原数就表示 由S决定
1. 数据类型介绍
前面我们已经学习了基本的内置类型：
char //字符数据类型 占1个字节
short //短整型 占2个字节
int //整形 占4个字节
long //长整型 占4个字节
long long //更长的整形 占8个字节
float //单精度浮点数 占4个字节
double //双精度浮点数 占8个字节
以及他们所占存储空间的大小
类型的意义：
- 使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）。
- 如何看待内存空间的视角
1.1 类型的基本归类
1.1.1 整形家族
charunsigned char signed char
shortunsigned short [int]signed short [int]
intunsigned intsigned int
longunsigned long [int]signed long [int]
符号数 无符号数
unsigned 表示无符号数，即只有正数
原类型（int或char等）和 signed 表示 有符号数，即有正有负
意义：对于二进制的最高位
有符号数 把 二进制最高位 当作 -1
无符号数 把 二进制最高位 当作 最高位的值
例如
先不用管 %d %u的输出，看图片右上角，n和m实际的值，得出unsigned 和 signed 是对于二进制最高位的处理是不一样的。
再补充：
int 字节 占 4个 对应 占32个比特位
同时 1个 比特位 对应 1个二进制的值
并且 4个二进制 对应 1个 十六进制
所以1个 字节 对应 2个十六进制
1.1.2 浮点数家族
float
double
1.1.3 构造类型
> 数组类型
> 结构体类型 struct
> 枚举类型 enum
> 联合类型 union如
int a[100];
a的类型是 int [100]
1.1.4 指针类型
int *pi;
char *pc;
float* pf;
void* pv;
1.1.5 空类型
void 表示空类型（无类型）
通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型
2. 整形在内存中的存储
我们之前讲过一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。
那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的?
比如：
int a = 20;
int b = -10;
我们知道为 a 分配四个字节的空间。
那如何存储？
下来了解下面的概念：
2.1 原码、反码、补码
计算机中的整数有三种表示方法，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”，而数值位负整数的三种表示方法各不相同。
原码
直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。
反码 (负数)
将原码的符号位不变，其他位依次按位取反就可以得到了。
补码（负数）
反码+1就得到补码。
正数的原、反、补码都相同
对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
为什么呢？
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。
补充：
1.牢记负数运算时 先换算 补码，正数不需要换算
2.打印的时候，要把补码换算回 原码
我们看看在内存中的存储：
我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。
这是又为什么？
2.2 大小端介绍
什么大端小端：
大端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址
中；(高位，在前面，和我们书写顺序一样)
小端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位,，保存在内存的高地
址中。（低位在前）
为什么有大端和小端：
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8bit。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。
例如：一个 16bit 的 short 型 x ，在内存中的地址为 0x0010 ， x 的值为 0x1122 ，那么 0x11 为高字节， 0x22 为低字节。对于大端模式，就将 0x11 放在低地址中，即 0x0010 中， 0x22 放在高地址中，即 0x0011 中。小端模式，刚好相反。我们常用的 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。
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）
大小端判断-> int 类型取地址，强制转char*
int i = 1; return (*(char*)&i);
#include <stdio.h>
int check_sys()
{int i = 1;return (*(char*)&i);//返回的是 解引用指针// &i 是取地址//char* 是把地址转成 char 地址（取一个字节）
}
int main()
{int ret = check_sys();if (ret == 1){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}return 0;
}
2.3 整型提升，原反补码，练习
（255 127 -128）
最大值和最小值相加 -1
255的二进制：11111111（无符号）
127 的二进制 01111111
-128的二进制 10000000 （有符号）
1.无符号输出 || 整型提升
#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;
}
%d: 整型输出(把数据先转成整型，再输出)
输出是-1 -1 225
首先在char中 -1的补码是 11111111
所以a b c 得到的补码都是11111111
然后根据%d打印 那么就要整型提升
a 提升后->11111111 11111111 11111111 11111111
b 提升后->11111111 11111111 11111111 11111111
c 提升后->00000000 00000000 00000000 11111111
因为 c 是无符号数，提升就补0
2.整型提升
#include <stdio.h>
int main()
{char a = -128;printf("%u\n",a);return 0;
}
输出4294967168
因为-128的补码是
10000000
%u 是输出 无符号的整数
所以会整型提升
提升为 11111111111111111111111110000000
3.整型提升
#include <stdio.h>
int main()
{char a = 128;printf("%u\n",a);return 0;
}
128 二进制 10000000；
%u 输出的是 无符号整型
所以 需要对 128整型提升
11111111111111111111111110000000
输出11111111111111111111111110000000
对应16进制 0xffffff80
检验如下
4.无符号+有符号 = 有符号
int i= -20;
unsigned int j = 10;
printf("%d\n", i+j);
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数
5. 无符号数（怎么变都是正数）
unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--) {printf("%u\n",i);
}
会陷入死循环
因为当无符号数0 - 1 后
二进制变为 11111111111111111111111111111111
数值位 int 最大值为 正数
6.strlen只能对字符数组用，但是字符数组可能用整数存储字符
int main()
{char a[1000];int i;for(i=0; i<1000; i++){a[i] = -1-i;}printf("%d",strlen(a));return 0;
}
strlen求的是 数组 0元素之前的个数
所以就找 char a【】数组中 0元素的位置
a【】存的是 8个比特位
由题 a【1】 = -1，a【2】 = -2，a【3】= - 3
然后 char 的截断 截断时 二进制是
11111111111111111111111100000000
原码是 100000000000000011111111
此时是 -256 a【-256】 实际为 0
所以输出的是 255
7. 无符号数 正整数
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{for(i = 0;i<=255;i++){printf("hello world\n");}return 0;
}
死循环，因为无符号char 有8个比特位，8个二进制，最大值就是255，当i = 255，再+1，则会变成0
3. 浮点型在内存中的存储
常见的浮点数：
3.14159
1E10
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 一个例子
浮点数存储的例子
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("num的值为：%d\n",n);printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat);return 0; }
输出的结果是什么呢？
3.2 浮点数存储规则
浮点数转二进制
1. 变成二进制 得到（s）1位
2.移动小数点得到 E 8位（可能为负）M 23位
3. E再加127 得到S E M
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。
详细解读：
根据国际标准IEEE（电气和电子工程协会），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
(-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，大于等于1，小于2。
2^E表示指数位（可能为负数）。
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。
(s表示正负，M等于小数点向左移到第一个1后的值，E表示小数点移动的位数)
IEEE 754规定：
对于32位的浮点数，最高的1位是符号位s，接着的8位是指数E，剩下的23位为有效数字M。
对于64位的浮点数，最高的1位是符号位S，接着的11位是指数E，剩下的52位为有效数字M。
存储E的时候，32为还需要加 127
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，等到由二进制读取转成小数表示的时候，再把第一位的1加上去（二进制转成小数的时候，系统自动加）。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（但还是23位哦）。
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0255；如果E为11位，它的取值范围为02047。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10+127=137，即10001001。
二进制转浮点数
然后，指数E从内存中取出还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（1/2）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=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。则E的原为 -126
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。
E全为1。原数就表示 由S决定
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）
好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。
解释前面的题目：
下面，让我们回到一开始的问题：
为什么 0x00000009 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？
首先，将 0x00000009 拆分，得到第一位符号位s=0，后面8位的指数 E=00000000 ，最后23位的有效数
字M=000 0000 0000 0000 0000 1001
9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
由于指数E全为0，所以符合上一节的第二种情况。因此，浮点数V就写成：
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
再看例题的第二部分。
请问浮点数9.0，如何用二进制表示？还原成十进制又是多少？
首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3
所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即
0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000
这个32位的二进制数，还原成十进制，正是 1091567616
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