深入浅出C语言——数据在内存中的存储

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一、数据类型详细介绍

1. C语言中的内置类型

   C语言的内置类型有char、short、int、long、long long、float、double，内置类型所占存储空间的大小如下所示：

char 		//字符数据类型 	1
short 		//短整型     	2
int 		//整形        	4
long 		//长整型    		4/8
long long 	//更长的整形  	8
float 		//单精度浮点数    4
double 		//双精度浮点数   	8

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C语言中类型的意义

1. 使用这个类型开辟内存空间的大小，大小决定了使用范围。
2. 如何看待内存空间的视角。

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2. 类型的基本归类：

整形家族：

char	unsigned char	signed char

  属于整形家族， 因为char虽然是字符类型，但是字符类型存储的时候，存储的是字符的ASCII码值，ASCII值是整数。另外，当在编译器中输入char c1；时，c1到底是有符号还是无符号的是不确定的，是取决于编译器实现的，一般情况下char相当于singed char。有符号字符类型取值范围是-128 ~ 127，无符号字符类型取值范围是0~255。

short	unsigned short	signed short

  属于整数家族，short等价于signed short，取值范围是 -32768~32767，unsigned short是无符号的short，取值范围是0 ~ 65535。

int	unsigned int	signed int

  属于整数家族，int是有符号的int等价于singed int。

long	unsigned long	signed long

  属于整数家族，long是有符号的long等价于signed long。

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数据的最高位

  有正负的的数据可以放在有符号的变量中，只有正数的数据可以放在无符号的变量中。如果是有符号的数据，最高位表示的是符号位。最高位是0，表示正数；最高位是1，表示负数，如果对于无符号的数据来说，最高位也是数据位。

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浮点数家族：

float	double	long double

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构造类型：

结构体类型	枚举类型	联合类型
struct	enum	union

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指针类型

int* pi	char* pc	float* pf	void* pv

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空类型：

   void 表示空类型/无类型，通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型。

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二. 整形在内存中的存储

   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。

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1. 原码、反码、补码

   计算机中的整数有三种表示方法，即原码、反码和补码。正数的原、反、补码都相同；负数的原码、反码、补码需要计算，负数的原码直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以，反码则将原码的符号位不变，其他位依次按位取反就可以得到了，补码是将反码+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。

int main()
{int a = 10;//整型值//原码：00000000000000000000000000001010//反码：00000000000000000000000000001010//补码：00000000000000000000000000001010int b = -10;//整型值//原码：10000000000000000000000000001010//反码：11111111111111111111111111110101//补码：11111111111111111111111111110110//      1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110//      F    F    F     F   F     F    F   6//      0x ff ff ff f6 存储到内存中return 0;
}

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为什么数据在内存中放的是补码

   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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2. 大小端

  大小端即大小端字节序存储。大端字节存序储存储模式是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中；小端字节序存储模式是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位,，保存在内存的高地址中。

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案例

int a = 0X11223344;在内存中存储

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为什么会有大小端模式之分？

  因为在计算机系统中是以字节为单位的，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为8bit。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。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。常用的 X86 结构是小端模式，而 KEIL C51 则为大端模式，很多的ARM和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。

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判断当前机器的字节序

int check_sys()
{int a = 1;return *(char*)&a;
}
int main()
{int ret = check_sys();if (ret == 1)printf("小端\n");elseprintf("大端\n");return 0;
}

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三.浮点数存储规则

   整数和浮点数的存储方式是有差异的，浮点数家族包括： float、double、long double 类型。根据国际IEEE754（标准电气和电子工程协会） ，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。

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举例

   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。

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IEEE 754标准

  IEEE754标准规定，对于32位的浮点数（float类型），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。

  IEEE754标准规定，对于64位的浮点数（double），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。

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保存有效数字M

  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。

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保存指数E

  至于指数E，情况就比较复杂。首先，E为一个无符（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，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。

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取出指数E

指数E从内存中取出还可以再分成三种情况：

1.E不全为0或不全为1

  当E不全为0或不全为1，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（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

2.E全为0

  当E全为0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。

3.E全为1

  当E全为1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

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浮点数的比较

  浮点数进行比较的时候不能直接用==去比较，因为浮点数在内存中储存有误差，应该比较浮点数直接的差值是否在允许的精度范围之内。比如一个完整的比较相等的逻辑可以为：

const double eps = 1e-8;
#define Equ(a, b) ((fabs((a)-(b))<(eps))