【C语言】——数据在内存中的存储

【C语言】——数据在内存中的存储

    • 一、整数在内存中的存储
      • 1.1、整数的存储方式
      • 1.2、大小端字节序
        • (1)大小端字节序的定义
        • (2)判断大小端
      • 1.3、整型练习
    • 二、浮点数在内存中的存储
      • 2.1、引言
      • 2.2、浮点数的存储规则
      • 2.3、浮点数的存储过程
      • 2.4、题目解析

一、整数在内存中的存储

1.1、整数的存储方式

  
  我们知道,整形分为有符号整形无符号整形。对于无符号整型来说,他所有位均为数值位;而有符号整形,他的最高位代表符号位其余位为数值位,符号位用0表示正,1表示负
  

在这里插入图片描述

注: c h a r char char类型虽然是存储字符,但本质是存其ASCII值,因此也可以看作是整形。
注:有符号和无符号只针对整型,不包括浮点型等

  

在【C语言】——详原解操作符(上)中,我曾提到,整数在内存中的存储有三种方式:原码、反码、补码。下面,让我们简单回顾一下。

  • 原码:直接将数值按他的正负数形式翻译成二进制得到的就是原码
  • 反码:源码的符号位不变,数值位按位取反即为反码
  • 补码:将反码加一,得到的就是补码

  在内存中,整数的存储和运算都是以补码的形式,只有显示给用户时,才是原码的形式。
  
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,可以将数值位和符号位统一进行处理
  
  同时,加法和减法也可以统一进行处理(CPU只有加法器),此外,源码和补码相互转换,其运算过程是相同的(两者转换都是取反,加一),不需要额外的硬件电路。

  
  

1.2、大小端字节序

(1)大小端字节序的定义

  不知大家在平时调试代码时,大家有没有发现一个奇怪的现象:整型在内存中好像是倒着存的
  
如图:

在这里插入图片描述

  
  上图显示的是整型变量 a a a 在内存中的存储情况,按我们的习惯不应该是:00 00 00 01 吗?为什么是 01 00 00 00 呢?
  
  上面这种存储方式叫小端字节序存储
  
  首先,我们来看看什么是大小端。
  
  在内存中,数据是以内存为单位进行存储的,那么,超过一个字节大小的数据的存储就不可避免的涉及到存储顺序问题,按照不同的存储顺序,我们分为大端字节序存储小端字节序存储,下面是具体概念。

  • 小端字节序存储:指数据的低位字节内容保存在内存中的低地址处,而数据的高字节内容保存在内存的高地址处。
  • 大端字节序存储:指数据的高位字节内容保存在内存的低地址处,而数据的低字节内容保存在内存的高地址处。

  数据是大端还是小端存储并不由编译器决定,而是取决于硬件设备
  
  
为什么会分大小端呢?

  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 个 b i t bit bit 位,但是在 C语言 中除了 8 b i t bit bit c h a r char char 之外,还有 16 b i t bit bit s h o r t short short
类型,32 b i t bit bit l o n g long long 类型(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,那么就必然存在着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 16 b i t bit bit s h o r t short short 类型 x x x ,在内存中的地址为 0 x 0010 0x0010 0x0010 x x x 的值为 0 x 1122 0x1122 0x1122 ,那么 0 x 11 0x11 0x11 为高字节, 0 x 22 0x22 0x22 为低字节。对于大端模式,就将 0 x 11 0x11 0x11 放在低地址中,即 0 x 0010 0x0010 0x0010 中, 022 022 022 放在高地址中,即放在 0 x 0011 0x0011 0x0011 中。而小端模式,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时大端模式还是小端模式

  
  

(2)判断大小端

  
  既然知道了计算机分为大端和小端存储,那有没有办法通过代码来判断自己的设备是大端还是小端呢?
  
  我们不妨这样想,往一个整形中存放数据,再想办法只读取他第一个字节内容,根据该字节存储的内容来判断是大端还是小端。

int check_sys()
{int i = 1;return (*(char*)&i);
}int main()
{int ret = check_sys();if (ret == 1){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}return 0;
}

  
  我们来分析return (*(char*)&i);这句代码:

  • 我们取出变量 i i i 的地址,因为 c h a r char char* 型指针只会访问一个字节的内容,所以将其强制类型转换成 c h a r char char* 类型,再对其进行解引用。
  • 同时我们还知道:一个变量的地址,是其所有字节的地址中,地址最小的字节的地址。因此解引用得到的是 i i i 中最小字节地址所存储的内容,如果存储值为 1,则为小端存储,如果为 0,则为大端存储

  
  当然,,我们还可以用联合体来判断

int check_sys()
{union{int i;char c;}un;un.i = 1;return un.c;
}

  关于联合体的知识,我们放到后面去讲
  
  

1.3、整型练习

  
练习一:

#include<stdio.h>
int main()
{char a = -1;signed char b = -1;unsigned char c = -1;printf("a=%d, b=%d, c=%d\n", a, b, c);return 0;
}

  

  • 首先我们来看char a = -1; c h a r char char 类型是 ( s i g n e d ) c h a r (signed)char signedchar 还是 ( u n s i g n e d c h a r ) (unsigned char) unsignedchar 取决于具体编译器的实现,但大部分是(signed)char。
  • -1 的补码是 11111111 11111111 11111111 11111111(整数默认4个字节),因为 c h a r char char 只有一个字节大小,发生截断, a a a 中放的是 11111111。同理char b=-1 b b b 中放的也是11111111
  • 接下来,我们来看unsigned char c = -1; c c c 中存放的也是 11111111虽然 -1 是负数,但是存还是照样存的(先把数据存进去再说)
  • 虽然 a b c abc abc 里存的都是 8 个 1 ,但以什么方式看待这 8 个 1 是不同的,对 a b ab ab 来说,他们认为 8 个 1 是 -1,而对 c c c 来说,他认为 8 个 1 是 255
  • 再来看最后一句,首先,我们要知道%d以有符号整型来打印,打印 a b c abc abc 时,他们要先发生整形提升(详情请看【C语言】——详解操作符(下))。
    • a b ab ab 来说他们是有符号类型,整形提升按他们的符号位进行提升,即 11111111 11111111 11111111 11111111,补码转为源码,打印的结果是 -1
    • 而对于 c c c 来说他是无符号类型,整形提升高位补 0,即 00000000 00000000 00000000 11111111,因为首位是 0,被认为是正数,正数的原反补码相同,结果为 255

答案:-1、-1、255

  
  

练习二:

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

  

我们先来看 a a a

  • 首先,我们来看 -128 的原码 反码 补码
    原码:10000000 00000000 00000000 10000000
    反码:11111111 11111111 11111111 0111111
    补码:11111111 11111111 11111111 10000000
    a a a 存储时,发生截断,存后面 8 个 b i t bit bit 位,即 10000000
  • %u以无符号整型来打印数据,打印前, a a a 先发生整形提升,因为 c h a r char char 为有符号类型,整型提升按符号位提升,即 11111111 11111111 11111111 1000000,而%u认为他是无符号数,因此打印的是一个很大的数。
  • 同理, b b b 也是类似的分析方法

答案:a=4294967168, b=4294967168
  
  

练习三:

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{char a[1000];int i;for (i = 0; i < 1000; i++){a[i] = -1 - i;}printf("%d", strlen(a));return 0;
}

  

让我们一起来分析这道题

  • 数组 a a a 中存放的是 c h a r char char类型 的数据,通过 f o r for for 循环,依次放入 -1,-2,-3 ······ 等数据,循环 1000 次。而因为 a a a 中元素是 c h a r char char类型,范围是 -128至127,因此放入的数据会周期循环
  • 而题目要求打印的是strlen(a)的值,我们知 s t r l e n strlen strlen函数 是计算字符串的长度,遇到 ‘\0’ 停止计算,而 ‘\0’ 的本质是 0,因此这题的核心思路就是:计算第一次放入0,是第几个数放入,再减去一,即可知道前面翻入几个数,即字符串长度

  

在这里插入图片描述

答案:255
  
  
练习四:

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

  

  该代码会打印多少个 " h e l l o w o r l d " "hello world" "helloworld" 呢?是 256 256 256 个吗?
  答案是:死循环
  因为 i i i u n s i g n e d c h a r unsigned char unsignedchar 类型,他的数据范围是 0-255,当值为 255 即 11111111 时,加 1 为 100000000,因为只能存 8 比特位,发生截断,即 00000000,再不断加一,如此往复,永远跳不出循环。

  

在这里插入图片描述

  

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

同理,这段代码也是如此,一样是死循环

  
  
练习五:

#include<stdio.h>
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);return 0;
}

  

  • 首先我们来看 p t r 1 ptr1 ptr1:& a a a 取出的是整个数组的地址,+1 则是跳过了整个数组,之后将该地址强制类型转换成 i n t int int * 类型%x 是以十六进制的方式打印数据, p t r 1 [ − 1 ] ptr1[-1] ptr1[1] 等价于 * ( p t r − 1 ) (ptr -1) ptr1,由于 p t r 1 ptr1 ptr1 是整型指针,-1 后退 4 个字节指向元素 4

    图示:

    在这里插入图片描述

  

  • 接着我们来看 p t r 2 ptr2 ptr2,首先 a a a 是数组首元素的地址,取出后将其强制类型转换成整型变量,后面 +1,即数学上的+1,指针向后移动一位。
  • 再将该整数强制类型转换成整型指针,最后,以十六进制打印 p t r 2 ptr2 ptr2 解引用的值,因为强转成 i n t int int* 指针,所以访问权限为 4 个字节。

    在这里插入图片描述
  • 因为为小端存储,所以取出的数实际为 02 00 00 00

答案:4  2000000

  
  

二、浮点数在内存中的存储

2.1、引言

  像 3.14159、1E10 等数被称为浮点数。

  首先我来问问大家,浮点数为什么叫浮点数呢?

  我们来看个例子: 123.45 123.45 123.45 = 12.345 ∗ 1 0 1 12.345*10^1 12.345101 = 1.2345 ∗ 1 0 2 1.2345 * 10^2 1.2345102

  可以看到,该数的小数点是可以左右浮动的,因此被称为浮点数

  浮点数家族包括 f l o a t float float d o u b l e double double l o n g d o u b l e long double longdouble 等类型,浮点数的表示范围,在 <float.h>中定义
  
  
接下来,让我们看一道习题,开启接下来的浮点数学习之旅。

#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;
}

  
输出结果:

在这里插入图片描述

  为什么会这样呢?按我们之前的知识,四个答案应该是:99.099.0 。但现在,只有两个正确,为什么呢?
  

我们先粗略分析一下原因

  • 我们以整型形式放,以浮点型形式取出,有问题
  • 我们以浮点型的形式放,以整型的形式取出,也有问题

  我们不妨做一个大胆的猜测:整型和浮点型在内存中的存储有很大差异
  
  那到底是不是这样呢?我们一起来学习浮点型在内存中的存储。
  

2.2、浮点数的存储规则

  根据国际标准 IEEE(电气和电子工程协会)754,任意一个浮点数 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 5.0 5.0,用二进制表示是 101.0 101.0 101.0,可写成 1.01 ∗ 2 2 1.01*2^2 1.0122。 那么,按上面 V 的形式,他的 S=0M=1.01E=2

十进制的 − 5.0 -5.0 5.0,用二进制表示是 − 101.0 -101.0 101.0,可写成 − 1.01 ∗ 2 2 -1.01*2^2 1.0122 那么,按上面 V 的形式,它的 S=1M=1.01E=2

  
IEEE 754 规定:
  
  对于 32 位( f l o a t float float 的浮点数,最高的一位存储的是符号位 S,接着 8 位存储指数位 E,剩下的 23 位存储有效数字 M

在这里插入图片描述

  
  而对于 64 位( d o u b l e double double 的浮点数,最高的一位存储的是符号位S,接着11位存储指数位E,剩下的52位存储有效数字M

在这里插入图片描述

  

2.3、浮点数的存储过程

  
  IEEE 754 对有效 数字 M指数 E 还有一些特别规定

  我们前面说过,M 的取值 1 < = M < 2 1<=M<2 1<=M<2 ,也就是写成 1. x x x x x 1.xxxxx 1.xxxxx 的形式,其中 xxxxx 是小数部分。IEEE 754 中规定,计算机那边存储 M 时,默认这个数的第一位总是 1 ,因此1可以被舍去,只保留后面的小数部分,比如保存 1.01 时,只存储 01。等到读取的时候,再把第一位的 1 加上去。这样做的目的是可以节省一位有效数字的空间


  至于指数E,则更为复杂一些:

  首先,规定 E 是一个无符号整数。这样,如果 E 为 8 位,他的存储范围是 0~255 ,如果 E 为 11 位,他的存储范围则是 0~2047。但是,我们知道,指数位是可以有负数的,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值,对于 8位 的 E,这个中间值是 127 ,对 11位 的E这个中间值是 1023。比如: 2 10 2^{10} 210 ,他的 E 为 10,所以存储为 32 位浮点数时,必须保存成 10+127=137,即 10001001
  
  指数E从内存中取出还可以再分成三种情况

  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,由于规定整数部分必须为 1,即小数点右移1位,为 1.0 ∗ 2 − 1 1.0*2^{-1} 1.021 ,其阶码(E) 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
    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.xxxxx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
      
  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
    0 11111111 00010000000000000000000

  
  

2.4、题目解析

  
  现在,让我们回到一开始的题目
  
先来看第一个环节:

  • int n = 9;:我们以整型的形式存储 9,此时9在内存中表示为:
    00000000 00000000 00000000 00001001
  • printf("n的值为:%d\n", n);:这句代码以整型的形式打印,打印出 9,没有问题
  • printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);:这句代码以浮点型的形式打印
  • 在 * p F l o a t pFloat pFloat 眼里,它指向的数据是这样的:
    0 00000000 00000000000000000001001
    S = 0E = 0M = 1001
    由于指数为 0 符合 E 为全 0 的情况。因此浮点数 V 写成:
    V = ( − 1 ) 0 (-1)^0 (1)0 ∗ * 0.00000000000000000001001 ∗ * 2 − 126 2^{-126} 2126 = 1.001 ∗ * 2 − 146 2^{-146} 2146
  • 显然,V是一个很小且非常接近 0 的数,用十进制小数表示就是 0.000000

  
再看第二个环节:
  
放进浮点数 9.0

  • 首先 9.0 用二进制表示 1001.0,换算成科学技术法是: 1.001 ∗ 2 − 3 1.001 * 2^{-3} 1.00123。所以 9.0 9.0 9.0 = ( − 1 ) 0 ∗ ( 1.001 ) ∗ 2 3 (-1)^0 * (1.001)*2^3 (1)0(1.001)23
  • S = 0E = 3 + 127 = 130M = 001 后面补 20 个 0
  • 9.0 9.0 9.0 在内存中的存储为:
    0 10000010 00100000000000000000000
  • 这个 32 位数。以整数的形式取出,就是整数在内存中的补码,因为为正数,原反补三码相同,十进制表示,正是1091567616

  
  
  
  


  好啦,本期关于数据在内存中的存储就介绍到这里啦,希望本期博客能对你有所帮助。同时,如果有错误的地方请多多指正,让我们在C语言的学习路上一起进步!

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目录 1 prefab、prefab变体、prefab覆盖和prefab 嵌套2 connect 与unpack3 prefab到底是什么&#xff0c;它和gameobject又有什么区别&#xff1f;4 为什么要用prefab&#xff1f;5 代码动态加载prefab6 为什么我unity PrefabUtility.InstantiatePrefab() 得到的是null7 Prefab…

Redis基本命令

目录 一、包含String、Set数据类型的基本命令 1、添加一个键值对 2、获取key所关联的字符串值 3、同时设置多个key-value 4、获取多个key对应的值 运行结果 5、将给定的value追加到原值的末尾 追加后效果 6、删除单个key 7、同时删除多个key 8、查询包含某个字符的k…