C语言-----数据在内存中的存储(1)

1.整数在内存中的存储

我们之前就了解过整数的二进制写法分别有3种，分别为原码，反码，补码。整型在内存中存储的是补码。

原码，反码，补码都有自己的符号位和数值位，符号位为1时，则表示负数，符号位为0时，则表示正数。

注意：

正数的原码，反码，补码相同。

而负数的原码，反码，补码是不一样的。

负数的原码就是将其数字转换为二进制，得到原码。

对原码除符号位外的数值位进行取反，得到反码。

反码+1 得到补码。

以上是有负数的原码得到其补码的过程。

由负数的补码得到原码也可以通过 对补码进行取反加1得到其原码。

2.大小端字节序和字节序判断

我们先看一段简单的代码

如下图

变量a原本设置的是0x11223344，可通过vs编译器调试发现，其在内存中的存储顺序恰好是反过来的。

这是为什么呢？

这就涉及到来大小端字节序的问题。 

2.1 大小端的含义

首先我们要清楚当储存的数据大小超过一个字节时，其在内存中的存储顺序就有了大端字节序存储和小端字节序存储。

1.大端字节序存储：是指数据的低字节内容保存在内存中的高地址处，而高细节内容保存在内存中的低地址处。

如图，11相对于22来说，11是高字节内容，22是低字节内容。

所以将11放在低地址处，22放在放在高地址处。33和44依此类推。

2. 小端字节序存储：是指数据的低字节内容保存在内存中的低地址，而高字节内容保存在内存中的·高地址处。

如图

通过以上了解的内容可知，为什么数据在vs中调试，在内存中的存储顺序是倒过来的。

原因是vs是小端字节序存储。 

2.2 判断大小端字节序

虽然我们知道了vs是小端字节序存储，那我们如何来证明呢？

我们可以通过代码来实现

int system()
{int a = 1;char* p = &a;return *p;
}
int main()
{int ret = system();if (ret == 1){printf("小端字节序存储");}else{printf("大端字节序存储");}return 0;
}

看图

如上图所示，a的16进制位分别在大端字节序和小端字节序的顺序排序。

我们又设计了一个char* p指针来存储a，所以p指向了a的第一个字节的内容，当我们对p进行解引用时，一次也只能访问一个字节，而一个字节恰好是2个16进制位。

返回*p的值，用ret来保存*p，我们就可以通过ret的值来判断大小端字节序存储了。

当返回值位1时，是小端字节序存储，返回值位0时，是大端字节序存储。

用vs运行代码

3.练习题

接着来几道练习题巩固一下知识。

练习1

#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;
}

我们一开始看到该题可能会有点蒙，不过别慌张，我们分析下代码。

该题创建了 a,b,c  三个变量，分别是char ，signed char， unsigned char 类型。

这时很疑惑，明明是 -1 是个整型数据，却用了一个不符合整型类型的变量来存储。

但这是允许的。只不过会发生数据的截断，影响最终打印的结果。

这种题思路是一样的。

我们先以a为例

我们先把 -1 的原码写出来，为1000000000000000000000000001，

在对其取反，为 11111111111111111111111111111110，得到反码。

在对反码加1得到补码，为11111111111111111111111111111111，便是-1的补码。

我们知道整型数据在内存中是以补码的形式存储的，但是由于变量a是char类型的，所以a只能存储一个字节大小的数据，也就是8个比特位。则会发生数据的截断。

优先截断低字节的数据，这时便会截断8个比特位的内容存储到a中。

则这时a中存储的是11111111

(补充：char类型是signed类型的还是unsigned类型的是取决于编译器的，再vs中char默认为是signed char 类型的。) 

最后我们要以整型打印，所以要对a进行整型提升。

（整型提升规则：有符号数据补符号位，无符号数据不0）

由于a是signed char 型，属于有符号型，则对a进行整型提升后为：

11111111111111111111111111111111  

整型提升后得到的还是补码。所以我们要求出其原码。

接着对补码进行取反+1的操作的到原码：

10000000000000000000000000000001

由于是以%d的形式打印，也就是将a看作有符号数据，所以此时的最高位为符号位。

通过原码计算可知，最终a的值为 -1。

接着来分析b

由于b的类型和a在vs中的数据类型是一样的，并且赋值都为-1，所以和以上a的推算是一模一样的。

最后来分析c

一样的步骤，把 -1 的原码写出来  ， 为 1000000000000000000000000001（原码）

接着对原码取反，为  11111111111111111111111111111110 （反码）

反码加1得到补码，为  11111111111111111111111111111111（补码）

也由于 c 是unsigned char 类型的，只能存储一个字节大小的数据，也就是8个比特位。

则发生截断

这时c存储的是11111111。

接着对其进行整型提升，由于c是unsigned char  类型，则此时最高位不是符号位了，所以补0.

得到 00000000000000000000000011111111  ，此时得到的也是补码。

但由于c是无符号数据，则原码，反码，补码，相同。

通过原码计算得 c为255。

运行代码

练习2

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

一开始看到这道题，是肯定会懵一下的。不过别慌张，冷静分析。

这里涉及到一个循环，后面有涉及到了一个strlen的计算，我们知道strlen计算的是 '/0' 之前的长度。而 \0 的ASCII值为0，所以计算的是0之前的长度。

遇到这种题，有一个圆形图解法。下面是char 的圆图。

 

如上图，我们对二进制的+1弄成一个圆，也就是循环了。

由于题目是减1，那就反过来，则0的前面就有255个，则长度就为255. 

运行代码，如下图，也是255.

练习3

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

这也可以根据圆形图解法来解决，不过是unsigned char 类型的圆

 

由此得出 i 的 取值范围 0~255，所以 i 永远小于等于255，则循环条件恒成立，这样就会现如死循环。

练习4

#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;
}

这道题是有点复杂的，我们还是冷静分析。

线分析ptr1，如下图

由上图轻易得到ptr[-1]为4。

难点就在ptr2

我们知道数组名在大部分就是条件下是首元素地址，所以此时a是首元素地址 ，但是被强制转换成int 类型了，强制转换成 int 型后进行加1，我们知道整型加1和整数加1的道理差不多，这时加1就是跳过了1个字节。我们将数组的内容转换成16进制的形式。

上面分析得知，整型加1就是跳过一个字节，而2个16进制位就是一个字节。而a中又是int类型的，存了4个字节的数据。如下图所示

但又因为在vs中是小端字节序存储，所以我们要将ptr2还原。

还原得到  02000000。

运行代码，如下图