【C语言】数据在内存中的存储详解

一、什么是数据类型

我们可以把数据类型想象为一个矩形盒子，int、char 等类型 分别为不同的盒子 可以放着不同大小的东西（数据）（即所占存储空间的大小）
类型的的意义：
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。

二、类型的基本归类

注意：
字符在内存中存储的是字符的ASCII码值，ASCII码值为整型，所以字符归类到整型家族。
char 是否为signed char 其中C语言标准没有规定，取决于编译器。

三、 整型在内存中的存储

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。
接下来 我们来看看数据在内存中开辟的空间是如何存储的

1.原码、反码、补码

首先我们须知计算机中的整数有三种表示方法：原码、反码、补码
这三种表示方法都有 符号位（一般在二进制数的最高位，0 表示 正，1表示 负）和数值位两部分。

• 正整数的原、反、补码都相同
• 负整数的三种表示方法是不同的
  • 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
  • 补码反码+1就得到补码
    注意对于整数来说 数据存放在内存中其实存放的是补码
    原因是 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。

2.大小端

(1)什么是大小端

前提：

大小端字节序指的是数据在电脑上存储的字节顺序

• 大端(存储)模式,指的是数据的低位存储在内存的高地址中 ，而数据的高位存储在内存的低地址中
  

• 小端(存储)模式,指的是数据的低位存储在内存中的低地址中，数据的高位存储在内存的高地址中巧记（低低高高）
  
  其中在 VS2022中，就是采用的小端模式
  

(2)为什么会有大小端

因为在计算机系统中，以字节为单位，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为 8 bit。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】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KEILC51 则为大端模式。很多ARMDSP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
【系统工程师笔试题】

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。

#include<stdio.h>
int check_sys() 
{int a = 1;char* p = (char*) & a;//拿到一个字节地址if (*p == 1)return 1;elsereturn 0;//可以有优化 return *( (char*)&a ); 
}
int main() 
{if (check_sys())printf("小端\n");elseprintf("大端\n");return 0;
}

四、浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

• 3.141592
• 1E10 这个E相当于指数 科学计数法 1 * 10^10 1乘10的10次方
  浮点数家族包括： float、double、long double 类型。
  浮点数表示的范围（下面会有详细说明）：（在vs中，#include<float.h> 转到定义可以查看）下面的图片如果理解困难没有关系
  

1. 浮点数存储规则

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

【例】10进制：9.0 写成二进制 1001.0 改写为 1.001* 2^3改为 (-1) ^0 * 1.001 * 2 ^ 3。S = 0,M = 1.001,E = 3。
IEEE标准提供了两种主要的浮点数格式: 单精度(32位)和双精度(64位)。分为三个部分：符号、指数和小数。指数部分决定了浮点数的范围。而小数部分的位数决定了精度。(见下图)

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。

注意IEEE754对有效数字M和指数E还有其他规定

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。
有效数字M
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。
指数E
E为一个无符号整数，如果E为8位（0~255）,E为11位（0 ~2047）。又因为科学 计数法法中的E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。
接下来 讨论

• E全为1时，当M全为0时，表示无穷大（正负取决于符号位S）
• E全为0时，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非全0非全1时，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。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

五、练习

下面代码输出什么？

1.

#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;
}

【结果】a=-1,b=-1,c=255
解析

2.

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

【结果】4294967168
解析

3.

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

【结果】4294967168
解析

4.

#include<stdio.h>int main() 
{int i = -20;unsigned int j = 10;printf("%d\n",i+j);return 0;
}

【结果】-10
解析
按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数

5.

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

【结果】死循环
解析
unsigned int （范围 0~4294967295）永远不可能小于0
for 循环的 判断条件是 i >= 0

6.

int main() 
{char a[1000];int i;for (i = 0; i < 1000;i++){a[i] = -1 - i;}printf("%d",strlen(a));return 0;
}

【结果】255
解析

7.

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

【结果】死循环打印hello world
解析
unsigned char 范围 为 0~255 所以此 i 的取值范围不可能大于255，for循环的判断部分进而不会停下