C语言王国——数据的内存管理

目录

一、引言

二、整形在内存中的存储

2.1 进制之间的转换

2.1.1 整形的二进制

2.1.2 十进制和二进制

2.1.3 十进制和八进制的转换

2.1.4  十六进制和十进制的转换

2.2 原码，反码，和补码

三、大、小端字节序

3.1 大小端的定义

3.2 为什么会有大小端之分

3.3 代码区分

四、浮点型在内存中的存储

五、结论

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一、引言

众所周知，计算机只能识别二进制语言，原理在于计算机只能识别打开和关闭的电信号，也就是0和1。那么我们日常生活中各种负载的数据计算机是怎么识别和存储的呢。作为一个高端的程序员，我们不仅仅要会写代码，也要去了解计算机的运行原理和存储方式，所以接下来，姜糖将会给大家阐述一下我学习到的关于数据的内存管理的相关知识。

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二、整形在内存中的存储

整数是我们日常生活中常见的数据类型，所以我们先来讲讲整数。

2.1 进制之间的转换

2.1.1 整形的二进制

由sizeof(int)得知，整形有4个字节，而4个字节由32个bit构成，在计算机科学中，1位（bit）是最小的计算机存储单位，可以存储一个二进制的数值，即0或1。

所以整形的二进制是：如图，图中方格表示位，里面是0或者1。

 当整形为0时，32个位全为0，加2则如图：

因为计算机只能识别0和1所以当计算机遇到2时就会进一位，如十进制遇十进位一样。 

而我们在计算机里常用的就是二进制，八进制和十六进制，生活中我们一般用十进制，所以接下来姜糖就来给大家讲一下它们的转换。

2.1.2 十进制和二进制

首先是我们最常见最熟悉的十进制。它们之间怎么转换呢？

我们再次观察二进制的结构会发现如图的规律：

当前方格中的数*2^(方格从右往前数的个数-1) = 当前方格在十进制中的表示

然后将它们加起来就行了，如图中第一位为1，在十进制中表示1，其他方格为0，0*任何数字为0，所以就是0+1=1，所以十进制也为1。

2.1.3 十进制和八进制的转换

那么八进制怎么转换为八进制呢？

而转换为十进制的方法而和二进制大同小异：

当前方格中的数*8^(所在位数-1) = 当前方格在十进制中的表示

2.1.4  十六进制和十进制的转换

那么十六进制有该如何转换呢？

由前面可知，十六进制也只包含0~15的数字，那么在存两位数的时候会和一位数搞混，如存15时，那1和5怎么办。所以十六进制中10~15用a~f表示。

那么先转换成二进制，我们发现4个二进制位可以完美放下0~15的数字，所以4个二进制位表示一个十六进制的位：

当前方格中的数*16^(方格从右往前数的个数-1) = 当前方格在十进制中的表示

2.2 原码，反码，和补码

正数中，原码，反码，补码都相同。

在我们生活中不仅有正数还有负数的存在，那么负数在计算机里又是怎么存储的呢？

计算机规定把数值位最高的一位当作字符位，0为正，1为负：如图位：+1

我刚刚跟大家讲的就是数据的原码，而反码就是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，则0变成1，1变成0

补码则为反码+1：

 *补码变成原码，不用倒推，符号位不变，取反+1便可

而我们在计算机中一般存放的是补码，你这是为什么呢？

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。

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三、大、小端字节序

在我们写代码进行调试看地址时会发现一个有趣的现象：如我的VS

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 0x01020304;return 0;
}

我们发现其地址和我输进去的是反着来的，就和我上面画的图一样，其实这是计算机的一种存储方式——小端存储。

3.1 大小端的定义

既然有了小端存储，那么就有大段存储，那么什么是大小端呢？

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。

如图：

 

3.2 为什么会有大小端之分

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8bit位，但是在C语⾔中除了8bit的 char 之外，还有16bit的 short 型，32bit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。

3.3 代码区分

那我们能不能写一个代码区分一下编译器到底是大端存储还是小端存储呢？

首先我们讲整形赋值一个1进去，这样子这个数据的低字节就有了一个1，其他的全为0。然后我们用字符型去把这个数据的第一个字节取出来，如果为1则为小端存储。反之为0则为大端存储。

代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 1;int* b = (char*)&a;if (*b)printf("小端");elseprintf("大端");return 0;
}

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四、浮点型在内存中的存储

我们谈论完了整形数据的存储，接下来我们来看一看浮点型类型的存储吧。

首先让我们想一想，浮点型的存储是否和整形一样呢？

我们可以用代码验证：

#include<stdio.h>int main()
{int n = 3;float* pFloat = (float*)&n;printf("n的值为：%d\n", n);printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);*pFloat = 3.0;printf("num的值为：%d\n", n);printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);return 0;
}

结果为：

很明显的可以得出，整形和浮点型存储的方式是不一样的。

那么浮点型是怎么存储的呢？

经过我的查阅资料：

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：

按照上面规定的那样，十进制3.0转换为二进制的浮点数：

(十进制)3.0=（二进制）11.0 = （二进制）1.10 * 10^1

S = 0;

M = 1.10

E = 1

IEEE754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

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IEEE754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。
 

我们已经知道了二进制中浮点数存的过程，那么我们怎么取二进制数呢?

E分三种情况：

指数E从内存中取出还可以再分成三种情况：

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(中间值)=126，表示为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补⻬0到23位 00000000000000000000000，则其⼆进制表⽰形式为:

1 0 01111110 00000000000000000000000

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.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。

1 0 00000000 00100000000000000000000

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）；

1 0 11111111 00010000000000000000000

所以3.0存进去，（32位）二进制位位：

0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0  0 0 0 0 0

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五、结论

C语言的内容不止于此，还有更多需要我们共同发现，今天C语言的内存数据管理就到这里啦，如果姜糖有讲的不好的地方欢迎大家提出，谢谢大家，也希望大家能一键三连哦！