UC头条：进阶C语言——数据的存储[详解]

1.数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：

【资料图】

char//字符数据类型

short//短整型

int//整形

long//长整型

longlong//更长的整形

float//单精度浮点数

double//双精度浮点数

以及他们所占存储空间的大小。

类型的意义：

使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）。

如何看待内存空间的视角

1.1类型的基本归类

整形家族：

char

unsignedchar

signedchar

short

unsignedshort[int]（int可省略）

signedshort[int]（int可省略）

int

unsignedint

signedint

long

unsignedlong[int]（int可省略）

signedlong[int]（int可省略）

signed修饰有符号的数（既可以放负数又可以放正数）unsigned只能修饰正数int=[signed]intsigened可以省略char是不是signedchar取决于编译器

浮点数家族：

float

double

构造类型：（自定义类型）

>数组类型>结构体类型struct>枚举类型enum>联合类型union

指针类型

intpi;

charpc;

floatpf;

voidpv;

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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2.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。

接下来我们看看数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

比如：

inta=20;intb=-10;

我们知道为a分配四个字节的空间。

那如何存储？

先了解下面的概念：

2.1原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法，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”，而数值位正数的原、反、补码都相同。负整数的三种表示方法各不相同。

原码

直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。

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反码。

补码

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。

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。

#includeintmain{inta=20;////00000000000000000000000000010100-原码//00000000000000000000000000010100-反码//00000000000000000000000000010100-补码//00000014intb=-10;////10000000000000000000000000001010--10的原码//11111111111111111111111111110101--10的反码//11111111111111111111111111110110--10的补码//FFFFFFF6return0;}

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调试后我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。

这是又为什么？

2.2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

画图演示：

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KEILC51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

百度2015年系统工程师笔试题：

请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。

//如果是大端返回0//如果是小端返回1#includeintcheck_sys{inti=1;return(*(char*)&i);}intmain{intret=check_sys;if(ret==1){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}return0;}

运行结果：

2.3练习

练习1

//1.输出什么？#includeintmain{chara=-1;//10000000000000000000000000000001原码//11111111111111111111111111111110反码//11111111111111111111111111111111补码//11111111-截断//整型提升//11111111111111111111111111111111//11111111111111111111111111111110//10000000000000000000000000000001-1signedcharb=-1;//signedchar与char结果一样unsignedcharc=-1;//11111111-截断//00000000000000000000000011111111无符号数高位直接补零printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);return0;}

char的二进制序列计算

有符号char的取值范围是（-128~127）

无符号char的取值范围是（0~255）

%d与%u的输出结果

#includeintmain{unsignedintnum=-10;//10000000000000000000000000001010原码//11111111111111111111111111110101反码//11111111111111111111111111110110补码//无符号数原码补码相同printf("%d\n",num);printf("%u\n",num);return0;}

练习2

#includeintmain{chara=-128;printf("%u\n",a);return0;}

练习3

#includeintmain{chara=128;printf("%u\n",a);return0;}

运算过程与练习2的过程相似

运行结果

练习4

#includeintmain{inti=-20;unsignedintj=10;//10000000000000000000000000010100//11111111111111111111111111101011//11111111111111111111111111101100-(-20)补码//00000000000000000000000000001010-(10)原码//11111111111111111111111111110110-(i+j)结果，计算机的结果，是存在内存中，是补码//10000000000000000000000000001010-补码变成原码//计算结果-10printf("%d\n",i+j);return0;}

练习5

#include#includeintmain{unsignedinti;for(i=9;i>=0;i--){printf("%u\n",i);Sleep(1000);//单位是毫秒}return0;}

打印结果：

Sleep(1000)用来降低打印速度的头文件为#include

unsigned用来打印无符号数，所以当i=-1时，unsignedinti并不会认为i是一个负数，只会认为他是一个很大的正数，-1的补码为11111111111111111111111111111111

32个全一在计算机的值如下

练习6

#include//char类型的取值范围是-128~127intmain{chara[1000];inti;for(i=0;i<1000;i++){a[i]=-1-i;}//-1-2-3-4-5-6...-127-128-129...-998-999-1000//char-1-2-3-128127126....3210-1-2-3...-128127...//1000个值printf("%d",strlen(a));//strlen求字符串长度，找到是\0，\0的ASCII码值是0.return0;}

运行结果;

二进制加一减一的图解

练习7

#includeunsignedchari=0;//0~255intmain{for(i=0;i<=255;i++){printf("helloworld\n");}return0;}

i的范围是0~255，所以循环里的内容恒成立，所以结果为死循环。

3.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

1E10

浮点数家族包括：float、double、longdouble类型。

浮点数表示的范围：float.h中定义

3.1一个例子

浮点数存储的例子：

#includeintmain{intn=9;//00000000000000000000000000001001-9的补码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);return0;}

输出结果：

3.2浮点数存储的规则

num和*pFloat在内存中明明是同一个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大？

要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。

详细解读：

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。

以5.5举例来说

十进制的5.5，写成二进制是101.1

IEEE754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。

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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。

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IEEE754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。

IEEE754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（unsignedint）

这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0255；如果E为11位，它的取值范围为02047。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10+127=137，即10001001.

例如：

#includeintmain{floatf=5.5f;//101.1//(-1)^0*1.011*2^2科学表现形式//01000000101100000000000000000000二进制表现形式//40b00000十六进制表现形式//return0;}

在内存中的存储为十六进制表现形式（由于大小端的原因，顺序有所不同）

然后，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（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:

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。

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）；

好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。

解释前面的题目：

下面，让我们回到一开始的问题：为什么0x00000009还原成浮点数，就成了0.000000？

首先，将0x00000009拆分，得到第一位符号位s=0，后面8位的指数E=00000000，最后23位的有效数字M=00000000000000000001001。

由于指数E全为0，所以符合上一节的第二种情况。因此，浮点数V就写成：

V=(-1)^0×0.00000000000000000001001×2(-126)=1.001×2(-146)

显然，V是一个很小的接近于0的正数，所以用十进制小数表示就是0.000000

再看例题的第二部分。

请问浮点数9.0，如何用二进制表示？还原成十进制又是多少？

首先，浮点数9.0等于二进制的1001.0，即1.001×2^3。

9.0->1001.0->(-1)01.00123->s=0,M=1.001,E=3+127=130

那么，第一位的符号位s=0，有效数字M等于001后面再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130，即10000010。

所以，写成二进制形式，应该是s+E+M，即

这个32位的二进制数，还原成十进制，正是1091567616。

#includeintmain{intn=9;//00000000000000000000000000001001-9的补码//00000000000000000000000000001001//E=1-127=-126//M=0.00000000000000000001001//(-1)^0*0.00000000000000000001001*2^-126float*pFloat=(float*)&n;printf("n的值为：%d\n",n);//9printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat);//0.0*pFloat=9.0;//以浮点数的视角，存放浮点型的数字//1001.0//1.001*2^3//(-1)^0*1.001*2^3//S=0//E=3//M=1.001//01000001000100000000000000000000printf("num的值为：%d\n",n);//1,091,567,616printf("*pFloat的值为：%f\n",*pFloat);//9.0return0;}

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