C语言之数据在内存中的存储

C语言之数据在内存中的存储

在我们学习此之前，我们先来回忆一下C语言中都有哪些数据类型呢？

首先我们来看看C语言中的基本的内置类型：

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

在这，值得一提的是C语言的基本类型中并没有字符串类型，而字符串的实现一般都是通过数组来实现

C语言的数据类型我们可以基本分为5种类型

1.整型家族

char     //字符形其实也属于整形，因为在字符的储存是存的是它的ASCII码值
unsigned char signed char

short
unsigned short [int] signed short [int]

int
unsigned int signed int

long
unsigned long [int] signed long [int]

2.浮点型家族

float
double

3.构造类型

> 数组类型
> 结构体类型 struct
> 枚举类型   enum
> 联合类型   union

4.指针类型

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

5.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。

在复习了一遍数据类型之后，我们现在来谈谈数据到底是怎么存储的

一.整形在内存中的存储

首先我们来看看整形

比如，下面再平常不过的式子

    int a = 10;
    int b = -20;

先不管其他的，我们先来看看它在内存里是怎么放的

我们得到了一串数字，而这些数字代表这什么呢？

原来是一串16进制的数字啊

我们知道一个整形系统分配四个字节来储存

而一个字节又有8个比特位，所以就会有32个二进制的0或1.我们把上面两串16进制的数字转为2进制来看一看有什么不同。

00001010000000000000000000000000

11101100111111111111111111111111

在这我们来看看10的二进制

00000000000000000000000000001010

有什么不同呢？

在这我们来介绍一下原码，反码，补码

计算机中的有符号数有三种表示方法，即原码、反码和补码。 
三种表示方法均有符号位和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位 三种表示方法各不相同。

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。

那我们来举个例子

对于正整数，它的原码 反码 补码 都相同

那么对于负整数呢，继续来看看

现在我们应该对原码反码补码有了初步的了解，我们继续接着上面来看

计算机储存的是补码，那么我们现在来写出 10 和 -20 的补码来看看于上述内存中存的是否一样

// 10的原码，反码，补码
// 00000000000000000000000000001010

// -20的原码
// 10000000000000000000000000010100
// -20的反码
// 11111111111111111111111111101011
// -20的补码
// 11111111111111111111111111101100

我们将其转换为16进制来看看

10的补码
00 00 00 0A

-20的补码
FF FF FF EC

这时，我们似乎发现它们俩的补码似乎按字节反了过来，这是为什么呢？

所以，这又引出了一个新的知识点——大小端

介绍
什么大端小端： 大端（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（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。
为什么有大端和小端：

为什么会有大小端模式之分呢？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。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果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。

那么怎么来判断自己的编译器是大端还是小端呢？

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>

int check_sys()
{
    int a = 1;
    return (*(char*)&a);
}

int main()
{
    int ret = check_sys();
    if (ret == 1)
    {
        printf("小端\n");
    }
    else
    {
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}

运行结果如下

但，我们可能还是不知道它是怎么实现的，所以在这解释一下

相信现在大家应该对此清楚了不少

那么，现在我们将上述代码微做修改用我们的Keil C51来试一试

#include <reg52.h>

#define uint unsigned int

sbit LSA=P2^2;
sbit LSB=P2^3;
sbit LSC=P2^4;

void delay(uint a)
{
    while(a--);
}

int check_sys()
{
    int a = 1;
    return (*(char*)&a);
}

int main()
{
    int ret = check_sys();
    LSA=1;
    LSB=1;
    LSC=1;
    while(1)
    {
        if (ret == 1)
        {
            P0=0x06;//在数码管的首位显示 1
        }
        else
        {
            P0=0x3f;//在数码管的首位显示 0
        }
        delay(1000);
    }
}

运行结果

结果正如介绍所说，keil c51为大端存储

那么接下来我们来看看几道题，以此加深我们对此的理解

1.
//输出什么？
#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;
}

运行结果：

2.
#include <stdio.h>

unsigned char i = 0; 

int main()
{
　　for(i = 0;i<=255;i++)
　　{
　　　　printf("hello world\n");
　　}
　　return 0;
}

那，这一题的结果  不知大家是否能够想到是一直打印 hello world

我们对整形的存储就停在这

接下来我们以一道题来进入浮点型在内存中的存储

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("n的值为：%d\n",n); 
　　printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat); 

　　return 0;
}

这道题许多人会给出 9  9.000000  9 9.000000 的答案

可事实并非如此

这题的答案为：

为什么呢？

所以

二.浮点型在内存中的存储

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。

我们举个例子如 5.5

我们可以写成 101.1（2进制）

按上述改为：

（-1）^ 0 *1.011*2^2

那么 S=0, M=1.011, E=2.

IEEE    754规定：  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。

而 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。

那么根据上面所述  现在 S=0, M=011, E=129

所以在内存中就为 0 10000001 01100000000000000000000 将其换为16进制为 40 b0 00 00

然后，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

　　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。

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）；

此时是否对前面所提到的那一题恍然大悟了呢