数据在内存中存储（C语言）

文章目录

- 前言
- 一、整数在内存中的存储
- - 1.1 计算机存储数据的基本单位
  - - 示例代码
  - 1.2 无符号整数的存储
  - 1.3 有符号整数的存储（补码）
  - - 示例代码
- 二、大小端字节序和字节序判断
- - 2.1 什么是大小端？
  - - 示例代码
  - 2.2 为什么会有大小端？
  - 2.3 字节序的判断
- 三、浮点数在内存中的存储
- - 3.1 IEEE 754 浮点数表示法
  - - 示例代码（单精度浮点数）
  - 3.2 浮点数存储结构
  - 3.3 浮点数的存储和读取过程
  - - 存储过程：
    - 读取过程：
- 总结

前言

在计算机的世界里，所有数据最终都要存储到内存中，而内存是以 字节（Byte） 为单位进行存储的。不同类型的数据在内存中的存储方式可能不一样，甚至可能会涉及字节顺序（大小端）。理解这些存储原理不仅能帮助我们掌握计算机底层原理，还能提高编程和调试能力。

本文将带你从整数、大小端 和 浮点数 三个方面，深入浅出地介绍数据在内存中的存储方式，并通过详细的示例代码加以说明。
在这里插入图片描述

一、整数在内存中的存储

整数（如 int 类型）的存储方式与其 二进制表示 密切相关。下面介绍计算机存储数据的基本单位，以及无符号整数和有符号整数（使用补码）的存储方式。

1.1 计算机存储数据的基本单位

计算机的存储是 二进制 的，最小的存储单位是 位（bit）。每 8 个 bit 组成 1 个字节（Byte）。

例如：

1 bit：取值 0 或 1
1 Byte = 8 bits：例如，00000000 表示十进制 0，00000001 表示十进制 1

计算机通常以 字节（Byte） 为单位存储数据，而整数通常占用 多个字节。

示例代码

#include <stdio.h>int main() {int num = 5;printf("%d 在内存中的大小: %lu 字节\n", num, sizeof(num));return 0;
}

1.2 无符号整数的存储

无符号整数（unsigned int）只表示非负数，直接使用二进制表示。例如，假设 unsigned int 类型占 4 个字节（32 位）：

十进制数	二进制表示（32 位）
5	00000000 00000000 00000000 00000101
255	00000000 00000000 00000000 11111111

可以看到，数值 5 存储为 00000101（低位在右，高位在左）。

1.3 有符号整数的存储（补码）

有符号整数（int）可以表示正数和负数。计算机通常采用补码来表示负数，这样可以使加减运算统一，并且只有唯一的零表示。

负数的补码计算过程：

将数值的绝对值转换为二进制原码。
对原码每一位取反（0 变 1，1 变 0）。
最后加 1，得到补码。

示例代码

#include <stdio.h>int main() {int num = -5;printf("%d 在内存中的存储: ", num);unsigned char *p = (unsigned char *)&num;for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {printf("%02X ", p[i]);}printf("\n");return 0;
}

通过该示例，你可以看到 -5 在内存中的存储（二进制补码表示）。

二、大小端字节序和字节序判断

对于多字节数据（如 int 和 float），它们在内存中的存储顺序依赖于 CPU 架构，通常分为大端和小端两种模式。

2.1 什么是大小端？

大端（Big Endian）：高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址。这种方式符合人类阅读习惯，从左到右依次递减。
小端（Little Endian）：低位字节存储在低地址，高位字节存储在高地址，便于计算机进行加法等运算（从最低有效位开始）。

示例代码

#include <stdio.h>void print_bytes(int num) {unsigned char *p = (unsigned char *)&num;for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {printf("%02X ", p[i]);}printf("\n");
}int main() {int num = 0x12345678;printf("内存中的存储顺序: ");print_bytes(num);return 0;
}

根据你的 CPU 架构，你可能会看到：

大端模式：输出类似 12 34 56 78
小端模式：输出类似 78 56 34 12

2.2 为什么会有大小端？

大小端的区别主要来源于计算机体系结构的不同：

大端模式：最早由 IBM 等体系架构采用，数据按人类阅读习惯存储（高位在前）。
小端模式：主要由 Intel 体系架构采用，便于在进行算术运算时从低位开始处理数据，简化了硬件设计。

2.3 字节序的判断

可以通过一个简单的 C 语言程序来判断当前系统的字节序：

#include <stdio.h>int main() {int num = 1;if (*(char *)&num == 1) {printf("小端模式\n");} else {printf("大端模式\n");}return 0;
}

如果输出 “小端模式”，说明低位字节存储在低地址。

三、浮点数在内存中的存储

浮点数的存储采用 IEEE 754 标准，将浮点数拆分为符号位、指数位和尾数位。下面详细介绍 IEEE 754 浮点数表示法、存储结构以及存储和读取过程。

3.1 IEEE 754 浮点数表示法

IEEE 754 是国际通用的浮点数存储标准，主要分为两种格式：

单精度浮点数（32 位）：
- 符号位（S）：1 位，表示正负（0 表示正数，1 表示负数）。
- 指数位（E）：8 位，采用移码表示（偏移量为 127）。
- 尾数位（M）：23 位，存储有效数字，默认存在隐含的 1。
双精度浮点数（64 位）：
- 符号位（S）：1 位
- 指数位（E）：11 位，偏移量为 1023。
- 尾数位（M）：52 位

示例代码（单精度浮点数）

#include <stdio.h>void print_float(float num) {unsigned char *p = (unsigned char *)&num;for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {printf("%02X ", p[i]);}printf("\n");
}int main() {float num = 3.14f;printf("3.14 在内存中的存储: ");print_float(num);return 0;
}

通过该示例，你可以看到 3.14 在内存中的字节序列，理解其 IEEE 754 格式的表示。

3.2 浮点数存储结构

以单精度浮点数为例，存储过程大致如下：

转换为二进制：将十进制数（例如 3.14）转换为二进制表示。
例如 3.14 的二进制近似表示为 11.001001...。
标准化：将二进制数调整为 1.xxxxx 的形式，同时记录指数。
对于 3.14，标准化表示为 1.1001001... × 2^1。
计算指数：将标准化指数加上偏移量（单精度偏移量为 127），得到最终的指数部分。
对于上例：指数 1 + 127 = 128，其二进制表示为 10000000。
处理尾数：舍去标准化表示中的隐含的 1，保留后面的有效位作为尾数。
例如：尾数为 1001001...，填充到 23 位。
符号位：根据正负确定符号位（正数为 0，负数为 1）。