【C语言】——数据在内存中的存储
- 一、整数在内存中的存储
- 1.1、整数的存储方式
- 1.2、大小端字节序
- (1)大小端字节序的定义
- (2)判断大小端
- 1.3、整型练习
- 二、浮点数在内存中的存储
- 2.1、引言
- 2.2、浮点数的存储规则
- 2.3、浮点数的存储过程
- 2.4、题目解析
一、整数在内存中的存储
1.1、整数的存储方式
我们知道,整形分为有符号整形和无符号整形。对于无符号整型来说,他所有位均为数值位;而有符号整形,他的最高位代表符号位,其余位为数值位,符号位用0表示正,1表示负。
注: c h a r char char类型虽然是存储字符,但本质是存其ASCII值,因此也可以看作是整形。
注:有符号和无符号只针对整型,不包括浮点型等
在【C语言】——详原解操作符(上)中,我曾提到,整数在内存中的存储有三种方式:原码、反码、补码。下面,让我们简单回顾一下。
- 原码:直接将数值按他的正负数形式翻译成二进制得到的就是原码
- 反码:源码的符号位不变,数值位按位取反即为反码
- 补码:将反码加一,得到的就是补码
在内存中,整数的存储和运算都是以补码的形式,只有显示给用户时,才是原码的形式。
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,可以将数值位和符号位统一进行处理
同时,加法和减法也可以统一进行处理(CPU只有加法器),此外,源码和补码相互转换,其运算过程是相同的(两者转换都是取反,加一),不需要额外的硬件电路。
1.2、大小端字节序
(1)大小端字节序的定义
不知大家在平时调试代码时,大家有没有发现一个奇怪的现象:整型在内存中好像是倒着存的。
如图:
上图显示的是整型变量 a a a 在内存中的存储情况,按我们的习惯不应该是:00 00 00 01 吗?为什么是 01 00 00 00 呢?
上面这种存储方式叫小端字节序存储
首先,我们来看看什么是大小端。
在内存中,数据是以内存为单位进行存储的,那么,超过一个字节大小的数据的存储就不可避免的涉及到存储顺序问题,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,下面是具体概念。
- 小端字节序存储:指数据的低位字节内容保存在内存中的低地址处,而数据的高字节内容保存在内存的高地址处。
- 大端字节序存储:指数据的高位字节内容保存在内存的低地址处,而数据的低字节内容保存在内存的高地址处。
数据是大端还是小端存储并不由编译器决定,而是取决于硬件设备。
为什么会分大小端呢?
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 8 个 b i t bit bit 位,但是在 C语言 中除了 8 b i t bit bit 的 c h a r char char 之外,还有 16 b i t bit bit 的 s h o r t short short
类型,32 b i t bit bit 的 l o n g long long 类型(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,那么就必然存在着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 16 b i t bit bit 的 s h o r t short short 类型 x x x ,在内存中的地址为 0 x 0010 0x0010 0x0010, x x x 的值为 0 x 1122 0x1122 0x1122 ,那么 0 x 11 0x11 0x11 为高字节, 0 x 22 0x22 0x22 为低字节。对于大端模式,就将 0 x 11 0x11 0x11 放在低地址中,即 0 x 0010 0x0010 0x0010 中, 022 022 022 放在高地址中,即放在 0 x 0011 0x0011 0x0011 中。而小端模式,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时大端模式还是小端模式
(2)判断大小端
既然知道了计算机分为大端和小端存储,那有没有办法通过代码来判断自己的设备是大端还是小端呢?
我们不妨这样想,往一个整形中存放数据,再想办法只读取他第一个字节内容,根据该字节存储的内容来判断是大端还是小端。
int check_sys() { int i = 1; return (*(char*)&i); } int main() { int ret = check_sys(); if (ret == 1) { printf("小端\n"); } else { printf("大端\n"); } return 0; }
我们来分析return (*(char*)&i);这句代码:
- 我们取出变量 i i i 的地址,因为 c h a r char char* 型指针只会访问一个字节的内容,所以将其强制类型转换成 c h a r char char* 类型,再对其进行解引用。
- 同时我们还知道:一个变量的地址,是其所有字节的地址中,地址最小的字节的地址。因此解引用得到的是 i i i 中最小字节地址所存储的内容,如果存储值为 1,则为小端存储,如果为 0,则为大端存储
当然,,我们还可以用联合体来判断
int check_sys() { union { int i; char c; }un; un.i = 1; return un.c; }
关于联合体的知识,我们放到后面去讲
1.3、整型练习
练习一:
#include int main() { char a = -1; signed char b = -1; unsigned char c = -1; printf("a=%d, b=%d, c=%d\n", a, b, c); return 0; }
- 首先我们来看char a = -1;: c h a r char char 类型是 ( s i g n e d ) c h a r (signed)char (signed)char 还是 ( u n s i g n e d c h a r ) (unsigned char) (unsignedchar) 取决于具体编译器的实现,但大部分是(signed)char。
- -1 的补码是 11111111 11111111 11111111 11111111(整数默认4个字节),因为 c h a r char char 只有一个字节大小,发生截断, a a a 中放的是 11111111。同理char b=-1中 b b b 中放的也是11111111。
- 接下来,我们来看unsigned char c = -1;: c c c 中存放的也是 11111111,虽然 -1 是负数,但是存还是照样存的(先把数据存进去再说)
- 虽然 a b c abc abc 里存的都是 8 个 1 ,但以什么方式看待这 8 个 1 是不同的,对 a b ab ab 来说,他们认为 8 个 1 是 -1,而对 c c c 来说,他认为 8 个 1 是 255。
- 再来看最后一句,首先,我们要知道%d是以有符号整型来打印,打印 a b c abc abc 时,他们要先发生整形提升(详情请看【C语言】——详解操作符(下))。
- 对 a b ab ab 来说他们是有符号类型,整形提升按他们的符号位进行提升,即 11111111 11111111 11111111 11111111,补码转为源码,打印的结果是 -1。
- 而对于 c c c 来说他是无符号类型,整形提升高位补 0,即 00000000 00000000 00000000 11111111,因为首位是 0,被认为是正数,正数的原反补码相同,结果为 255。
答案:-1、-1、255
练习二:
#include int main() { char a = -128; char b = 128; printf("a=%u, b=%u\n", a, b); return 0; }
我们先来看 a a a
- 首先,我们来看 -128 的原码 反码 补码
原码:10000000 00000000 00000000 10000000
反码:11111111 11111111 11111111 0111111
补码:11111111 11111111 11111111 10000000
a a a 存储时,发生截断,存后面 8 个 b i t bit bit 位,即 10000000
- %u是以无符号整型来打印数据,打印前, a a a 先发生整形提升,因为 c h a r char char 为有符号类型,整型提升按符号位提升,即 11111111 11111111 11111111 1000000,而%u认为他是无符号数,因此打印的是一个很大的数。
- 同理, b b b 也是类似的分析方法
答案:a=4294967168, b=4294967168
练习三:
#include #include int main() { char a[1000]; int i; for (i = 0; i
让我们一起来分析这道题
- 数组 a a a 中存放的是 c h a r char char类型 的数据,通过 f o r for for 循环,依次放入 -1,-2,-3 ······ 等数据,循环 1000 次。而因为 a a a 中元素是 c h a r char char类型,范围是 -128至127,因此放入的数据会周期循环。
- 而题目要求打印的是strlen(a)的值,我们知 s t r l e n strlen strlen函数 是计算字符串的长度,遇到 ‘\0’ 停止计算,而 ‘\0’ 的本质是 0,因此这题的核心思路就是:计算第一次放入0,是第几个数放入,再减去一,即可知道前面翻入几个数,即字符串长度。
答案:255
练习四:
#include int main() { unsigned char i = 0; for (i = 0; i printf("hello world\n"); } return 0; } unsigned int i; for (i = 9; i = 0; i--) { printf("%u\n", i); } return 0; }
同理,这段代码也是如此,一样是死循环
练习五:
#include int main() { int a[4] = { 1,2,3,4 }; int* ptr1 = (int*)(&a + 1); int* ptr2 = (int*)((int)a + 1); printf("%x, %x", ptr1[-1], *ptr2); return 0; }
- 首先我们来看 p t r 1 ptr1 ptr1:& a a a 取出的是整个数组的地址,+1 则是跳过了整个数组,之后将该地址强制类型转换成 i n t int int * 类型。%x 是以十六进制的方式打印数据, p t r 1 [ − 1 ] ptr1[-1] ptr1[−1] 等价于 * ( p t r − 1 ) (ptr -1) (ptr−1),由于 p t r 1 ptr1 ptr1 是整型指针,-1 后退 4 个字节指向元素 4
图示:
- 接着我们来看 p t r 2 ptr2 ptr2,首先 a a a 是数组首元素的地址,取出后将其强制类型转换成整型变量,后面 +1,即数学上的+1,指针向后移动一位。
- 再将该整数强制类型转换成整型指针,最后,以十六进制打印 p t r 2 ptr2 ptr2 解引用的值,因为强转成 i n t int int* 指针,所以访问权限为 4 个字节。
- 因为为小端存储,所以取出的数实际为 02 00 00 00
答案:4 2000000
二、浮点数在内存中的存储
2.1、引言
像 3.14159、1E10 等数被称为浮点数。
首先我来问问大家,浮点数为什么叫浮点数呢?
我们来看个例子: 123.45 123.45 123.45 = 12.345 ∗ 1 0 1 12.345*10^1 12.345∗101 = 1.2345 ∗ 1 0 2 1.2345 * 10^2 1.2345∗102
可以看到,该数的小数点是可以左右浮动的,因此被称为浮点数。
浮点数家族包括 f l o a t float float、 d o u b l e double double、 l o n g d o u b l e long double longdouble 等类型,浮点数的表示范围,在 中定义
接下来,让我们看一道习题,开启接下来的浮点数学习之旅。
#include 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; }
输出结果:
为什么会这样呢?按我们之前的知识,四个答案应该是:9、9.0、9、9.0 。但现在,只有两个正确,为什么呢?
我们先粗略分析一下原因
- 我们以整型形式放,以浮点型形式取出,有问题
- 我们以浮点型的形式放,以整型的形式取出,也有问题
我们不妨做一个大胆的猜测:整型和浮点型在内存中的存储有很大差异。
那到底是不是这样呢?我们一起来学习浮点型在内存中的存储。
2.2、浮点数的存储规则
根据国际标准 IEEE(电气和电子工程协会)754,任意一个浮点数 V 可以表示成下面的形式
举例来说:
十进制的 5.0 5.0 5.0,用二进制表示是 101.0 101.0 101.0,可写成 1.01 ∗ 2 2 1.01*2^2 1.01∗22。 那么,按上面 V 的形式,他的 S=0、 M=1.01、 E=2
十进制的 − 5.0 -5.0 −5.0,用二进制表示是 − 101.0 -101.0 −101.0,可写成 − 1.01 ∗ 2 2 -1.01*2^2 −1.01∗22 那么,按上面 V 的形式,它的 S=1、 M=1.01、 E=2
IEEE 754 规定:
对于 32 位( f l o a t float float) 的浮点数,最高的一位存储的是符号位 S,接着 8 位存储指数位 E,剩下的 23 位存储有效数字 M
而对于 64 位( d o u b l e double double) 的浮点数,最高的一位存储的是符号位S,接着11位存储指数位E,剩下的52位存储有效数字M
2.3、浮点数的存储过程
IEEE 754 对有效 数字 M 和 指数 E 还有一些特别规定
我们前面说过,M 的取值 1
- 首先我们来看 p t r 1 ptr1 ptr1:& a a a 取出的是整个数组的地址,+1 则是跳过了整个数组,之后将该地址强制类型转换成 i n t int int * 类型。%x 是以十六进制的方式打印数据, p t r 1 [ − 1 ] ptr1[-1] ptr1[−1] 等价于 * ( p t r − 1 ) (ptr -1) (ptr−1),由于 p t r 1 ptr1 ptr1 是整型指针,-1 后退 4 个字节指向元素 4
- 首先,我们来看 -128 的原码 反码 补码
- 而对于 c c c 来说他是无符号类型,整形提升高位补 0,即 00000000 00000000 00000000 11111111,因为首位是 0,被认为是正数,正数的原反补码相同,结果为 255。
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