【C语言(十二)】

数据在内存中的存储

一、整数在内存中的存储

整数的2进制表示方法有三种，即原码、反码和补码

有符号的整数，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”，最高位的⼀位是被当做符号位，剩余的都是数值位。

正整数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同。

原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成⼆进制得到的就是原码。

反码：将原码的符号位不变，其他位依次按位取反就可以得到反码。

补码：反码+1就得到补码。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

二、大小端字节序和字节序判断

当我们了解了整数在内存中存储后，我们调试看⼀个细节：

#include <stdio.h>int main()
{int a = 0x11223344;return 0;
}

调试的时候，我们可以看到在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？

2.1、什么是大小端?

其实超过⼀个字节的数据在内存中存储的时候，就有存储顺序的问题，按照不同的存储顺序，我们分为大端字节序存储和小端字节序存储，下面是具体的概念：

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。

上述概念需要记住，方便分辨大小端。

2.2、为什么会有大小端?

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。

2.3、练习

2.3.1、练习1:

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。

//代码1
#include <stdio.h>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;
}

//代码2
int check_sys()
{union{int i;char c;}un;un.i = 1;return un.c;
}

2.3.2、练习2:

#include <stdio.h>
int main()
{char a= -1;//1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001//1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110//1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111//存储在a中要发生截断//11111111 - a//1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111//1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000//1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001signed char b=-1;//11111111 - bunsigned char c=-1;//11111111 - c//0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);//-1 -1 255//%d - 十进制的形式打印有符号的整数return 0;
}

2.3.3、练习3:

#include <stdio.h>int main()
{char a = -128;//1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000//1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 1111//1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000//10000000 - a//打印时发生整型提升//1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000printf("%u\n",a);//4,294,967,168//%u 是十进制的形式打印无符号的整数return 0;
}

#include <stdio.h>int main()
{char a = 128;//128 = 127 + 1 = -128printf("%u\n",a);return 0;
}

2.3.4、练习4:

#include <stdio.h>int main()
{char a[1000];//-128 ~ 127//-1 -2 -3 ... -128 127 126 125 ... 5 4 3 2 1 0 -1 -2 ... -128 127 126 ... 5 4 3 2 1//128 + 127 = 255int i;for(i=0; i<1000; i++){a[i] = -1-i;}printf("%d",strlen(a));//求字符串长度找的是\0，\0的ASCII码值是0，其实找的就是0//255return 0;
}

2.3.5、练习5:

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

#include <stdio.h>
#include <windows.h>int main()
{unsigned int i;for (i = 9; i >= 0; i--){printf("%u\n", i);Sleep(1000);//睡眠1秒}return 0;
}

2.3.6、练习6:

#include <stdio.h>int main()//x86环境下
{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;
}

三、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

3.1、练习:

#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("num的值为：%d\n", n);printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);return 0;
}

①有些浮点数在内存中无法精确保存

②double类型的精度比float更高

③两个浮点数比较大小的时候，直接使用 == 比较可能存在问题!

比如：

5.6 -> 5.59999787897

f == 5.6

解决办法：给一个精度0.000001

if(abs(f - 5.6) <= 0.000001);//((f - 5.6) >= -0.000001) && ((f - 5.6) <= 0.000001)

3.2、浮点数的存储

上面的代码中， 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。

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：

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。

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

double类型浮点数内存分配

3.2.1、浮点数存的过程

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，等到读取的时候，再把第⼀位的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。

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0~255；如果E为11位，它的取值范围为0~2047。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，必须保存成10+127=137，即10001001。