C语言--数据的存储2

前言

上篇文章我们讲解了数据类型，类型的基本归类，整形在内存中的存储方式以及大小端的知识，本篇文章我们来继续加深数据在内存中存储形式的理解。

练习

有符号类型与无符号类型

我们来看一个例子，看下面这段代码输出是什么：

#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;
}

我们在编译器里运行这段代码，结果如图1

我们先来分析a

char a=-1
10000000000000000000000000000001 --原码
11111111111111111111111111111110 --反码
11111111111111111111111111111111 --补码
11111111 --char类型只能存储1个字节（8个比特位）

b，c和a的补码其实一样，都是11111111，只不过一个是有符号的char，一个是无符号的char。
所以对于b来说，第一个1是符号位，而对于c来说，这8个1全都是有效数字。
因为我们要以%d的形式打印，所以要对a，b，c进行整形提升，

a:11111111
整形提升:11111111111111111111111111111111 --补码11111111111111111111111111111110 --反码10000000000000000000000000000001 --原码

所以a打印出来还是-1。
b与a类似，只是添加了一个有符号前缀，效果是一样的。我们来分析c

c:11111111
整形提升:00000000000000000000000011111111 --补码(原码)

因为符号位为0，所以原反补码相同，所以c打印出来就是11111111==255。

补充：
1，char到底是signed char还是unsigned char？
C语言标准没有明确的规定，取决于编译器
2，int 是默认 signed int

char类型的取值范围

有符号char

来看下面这段代码

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

运行结果如图2

为什么会出现这样一个奇怪的数字呢？我们来分析一下

char a=-128
1000000000000000000000010000000 --原码
1111111111111111111111101111111 --反码
1111111111111111111111110000000 --补码
10000000 --截断
1111111111111111111111110000000 --整形提升(补码)

因为%u是打印无符号整数，所以编译器会把整型提升后的补码全部当作有效数字，那么原反补码相同，打印的就是补码。如果是打印%d，就还需要求出原码。
我们接着再来看下面这段代码

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

代码运行结果如图3

char a=-128
0000000000000000000000010000000 --原码
0111111111111111111111101111111 --反码
1111111111111111111111110000000 --补码
10000000 --截断
1111111111111111111111110000000 --整形提升(补码)

我们发现，截断以后的值和-128是一样的，所以最终结果也相同。

我们通过图中分析可知，有符号char类型的取值范围为-128~127，为什么没有128呢
我们再来看一个图

我们发现127再加1，即01111111加1变为10000000，会被直接解读为-128，所以放128进去会被解读成一个负数。

无符号char

如图6

和无符号不同的是，最高位也被当作有效数字计算，所以无符号char取值范围为0~255。

有符号与无符号类型混合运算

我们还是来看下面这段代码

int main()
{int i = -20;unsigned int j = 10;printf("%d\n", i + j);return 0;
}

运行结果如图7

为什么会得到这样一个结果呢？我们还是来从原反补码方向分析

int i=-20
100000000000000000010100 --原码
111111111111111111101011 --反码
111111111111111111101100 --补码
unsigned int j=10
000000000000000000001010 --原码=反码=补码
printf("%d\n", i + j)
111111111111111111101100+000000000000000000001010
=11111111111111111111111111110110 --补码11111111111111111111111111111101 --反码10000000000000000000000000000010 --原码(-10)

所以打印出来的结果为-10。

有符号无符号类型形成的bug

我们来看下面这段代码

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

最终运行结果是死循环，这是因为无符号整形i的值是恒大于0的，这样i>=o就恒成立了，最终导致陷入死循环。

再来看一段代码

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

运行结果同样是死循环，因为i是无符号char类型，取值范围为0~255,这样i<=255恒成立，最终也是进入死循环。

char类型取值范围应用

我们来看这段代码

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

代码运行结果如图8

我们借助图5来进行分析，来看图9

求字符串长度的strlen在访问到\0停止。而\0的ascll码值为0，即访问到0为止，所以在第一个0出现前一共有128+127=255个元素，所以字符串长度为255。

浮点型在内存中的存储

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。

浮点数的存储

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;
}

运行结果如图10

我们发现运行结果和我们预期相差甚远，接下来我们来具体分析。

我们首先来看四种情况的产生环境，第一种和第四种分别是以***整形的形式存储，以整形的形式打印，以浮点型的形式存储，以浮点型的形式打印，***所打印出来的结果和我们预期基本相同，而第二种和第三种都是整形和浮点型杂糅在一起存储打印，结果和预期相差甚远，由此可见浮点型存储方式和整形存储方式肯定是有所不同的

所以想弄清楚上述代码如何运行的，我们首先要来了解浮点型的存储方式

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。
我们来对一个浮点数进行转换，如图11

那么S,E,M在内存中具体是怎么储存的呢？
32位机器：

64位机器：

S占一个比特位这个比较好理解，因为S不是0就是1，所以只用一个比特位来存储即可。

而对于M，因为我们知道M是恒大于1小于2的，所以他的形式永远都是1.xxxxxxx…，所以根据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,可以多提高一位的精度。

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，
如图14

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(比如要存-1，其实要存-1+127=126)；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。

我们还是以5.5为例

1010.1 --转换为二进制
101.1=1.011*2^2
S=0 M=1.011 E=2
转换：
S=0 M=011 E=2+127
按32位机器存储
0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000
//40 b0 00 00(16进制存储)

浮点数取出规则

指数E从内存中取出可分为三种情况
1，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（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
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

3,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）

下面我们在来解决一开始的那段代码。

int n = 9;float* pFloat = (float*)&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);

通过以上分析就可得出编译器中得出的结果

以上就是关于数据的存储的全部内容了，如有出入，欢迎指正。