C語言數據在內存的儲存方式

本篇內容介紹了“C語言數據在內存的儲存方式”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

目錄

• 前言

• 數據類型介紹

• 類型的基本歸類

• 整形在內存中的存儲

• 原碼、反碼、補碼

• 大小端介紹

• 浮點型在內存中的存儲

前言

前面我們學習了C語言的一些基本知識和基礎的語法，想必大家對C語言都有了自己的認識。

當然只是學習這些知識還是不夠的，我們需要進行更加深入的學習。

從本章開始，我們將進行C語言進階階段的學習，所以難度會有所增加。

數據類型介紹

前面我們已經學習了基本的內置類型：

//C語言有沒有字符串類型？

C語言中沒有字符串類型，但是C語言提供了字符串常量。

C語言中字符串的概念：以 NULL('\0') 字節結尾的零個或多個字符，字符串通常儲存在字符數組中

當一個字符串常量出現在一個表達式中時，表達式所使用的值就是這些字符所存儲的地址，因此可以把字符串常量賦值給一個“指向字符的指針”。以及他們所占存儲空間的大小。

類型的意義：

1. 使用這個類型開辟內存空間的大小（大小決定了使用范圍）。

2. 如何看待內存空間的視角。

int main()
{
	int a = 10;//創建空間后，這塊空間的內容以整型的方式考慮和使用
	char c = 'a';//創建空間后，以字符類型的方式考慮和使用
	return 0;
}

類型的基本歸類

整形家族：

char
unsigned char
signed char

short
unsigned short [int]
signed short [int]

int
unsigned int
signed int

long
unsigned long [int]
signed long [int]

無符號數：即有符號數的符號位表示為有效位。

例如：

#include<stdio.h>
int main()
{
	unsigned int a = -1;
	printf("%u", a);
	return 0;
}

這里的-1是一個有符號數，當我們以無符號數打印時，最高位不再是符號位，且無符號數的原反補碼相同，則它的所有位為1，打印出來是一個很大的數。

這里我們可以清楚的看出無符號與有符號數的區別。

注意：有符號中的 -128 就表示為 10000000。

并且我們可以推算出有符號char類型所能表示的范圍是-128——127；無符號char類型所能表示的范圍是0——255。同理也可以推算出其他類型的范圍。

ps:char類型有無符號取決于編譯器的類型 ，short,int,long均表示為有符號，前面加unsigned才表示為無符號

浮點數家族：

float
double

構造類型：

> 數組類型
> 結構體類型 struct
> 枚舉類型 enum
> 聯合類型 union

所謂數組類型，即去掉數組名后剩下的就是數組的類型。

例如：我們求一個變量的大小，可以通過它變量名求，也可以通過它的類型求大小。數組亦是如此。

int main()
{
	int a = 10;
	int arr[10] = { 0 };
	printf("%d\n", sizeof(a));//4
	printf("%d\n", sizeof(int));//4
	printf("%d\n", sizeof(arr));//40
	printf("%d\n", sizeof(int [10]));//40
	return 0;
}

指針類型

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

空類型：

void 表示空類型（無類型）
通常應用于函數的返回類型、函數的參數、指針類型。

void test(void)
{
	printf("hehe\n");
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

整形在內存中的存儲

我們之前講過一個變量的創建是要在內存中開辟空間的。空間的大小是根據不同的類型而決定的。
那接下來我們談談數據在所開辟內存中到底是如何存儲的？

比如：

int a = 20;
int b = -10;

我們知道為 a 分配四個字節的空間。 那如何存儲？
下來了解下面的概念：

原碼、反碼、補碼

計算機中的有符號數有三種表示方法，即原碼、反碼和補碼。
三種表示方法均有符號位和數值位兩部分，符號位都是用0表示“正”，用1表示“負”，而數值位
三種表示方法各不相同。

原碼
直接將二進制按照正負數的形式翻譯成二進制就可以。

反碼
將原碼的符號位不變，其他位依次按位取反就可以得到了

補碼
反碼+1就得到補碼。

正數的原、反、補碼都相同。
對于整形來說：數據存放內存中其實存放的是補碼。

為什么呢？

在計算機系統中，數值一律用補碼來表示和存儲。原因在于，使用補碼，可以將符號位和數值域統一處理； 同時，加法和減法也可以統一處理（CPU只有加法器）此外，補碼與原碼相互轉換，其運算過程是相同的，不需要額外的硬件電路

例如：

int main()
{
	int a = -1;
	//10000000000000000000000000000001--原碼
	//11111111111111111111111111111110--反碼(原碼符號位不變，其他位按位取反)
	//11111111111111111111111111111111--補碼(補碼+1)
	int b = 10;//正整數原反補相同
	//00000000000000000000000000001010--原碼
	//00000000000000000000000000001010--反碼
	//00000000000000000000000000001010--補碼
	return 0;
}

我們看看在內存中的存儲：

內存中是以十六進制的形式儲存的，那10應該表示為 00 00 00 0a，為什么這里會倒過來呢？？

大小端介紹

什么大端小端：

大端（存儲）模式，是指數據的低位保存在內存的高地址中，而數據的高位，保存在內存的低地址中；

小端（存儲）模式，是指數據的低位保存在內存的低地址中，而數據的高位,，保存在內存的高地址中。

為什么有大端和小端：

為什么會有大小端模式之分呢？這是因為在計算機系統中，我們是以字節為單位的，每個地址單元都對應著一個字節，一個字節為8bit。但是在C語言中除了8bit的char之外，還有16bit的short型，32bit的long型（要看具體的編譯器），另外，對于位數大于8位的處理器，例如16位或者32位的處理器，由于寄存器寬度大于一個字節，那么必然存在著一個如果將多個字節安排的問題。因此就導致了大端存儲模式和小端存儲模式。
例如一個 16bit 的 short 型 x ，在內存中的地址為 0x0010 ， x 的值為 0x1122 ，那么 0x11 為高字節， 0x22為低字節。對于大端模式，就將 0x11 放在低地址中，即 0x0010 中， 0x22 放在高地址中，即 0x0011 中。小端模式，剛好相反。我們常用的 X86 結構是小端模式，而 KEIL C51 則為大端模式。很多的ARM，DSP都為小端模式。有些ARM處理器還可以由硬件來選擇是大端模式還是小端模式。

百度2015年系統工程師筆試題：

請簡述大端字節序和小端字節序的概念，設計一個小程序來判斷當前機器的字節序。（10分）

//代碼1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
    int i = 1;
    //char*p = (char*)&i;
    return (*(char*)&i);//先將i的地址取出強制類型轉換為char*
                        //解引用后只會訪問一個字節,且為最低位的那個字節
                        //如果是小端存儲(01 00 00 00)則解引用后得到的是1
                        //如果是大端存儲(00 00 00 01)則解引用后得到的是0
}
int main()
{
    int ret = check_sys();
    if (ret == 1)
    {
        printf("小端\n");
    }
    else
    {
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}
//代碼2
int check_sys()//這里我們后面講到聯合時再仔細講解
{
    union
    {
        int i;
        char c;
    }un;
    un.i = 1;
    return un.c;
}

練習

1.
//輸出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a= -1;
    signed char b=-1;
    unsigned char c=-1;
    //00000000000000000000000011111111
    printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);
    return 0;
}

a和b毫無疑問是-1，雖然會進行整形提升，但所有位都是1并不會影響最后的結果。

c因為是一個無符號數，而這里%d是以有符號數da印，需要整型提升，所以應該是255。

下面程序輸出什么？

2.
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    //-128的二進制位
    //10000000000000000000000010000000
    //11111111111111111111111101111111
    //11111111111111111111111110000000
    // a中存的二進制位
    //100000000
    printf("%u\n",a);//以無符號整形打印，需進行整形提升,左邊補1
                     //11111111111111111111111110000000  4294967168
    return 0;
}

3.
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = 128;
    //char類型的范圍是-128到127，128按照二進制位轉換其實就是-128，所以和上面相同
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}

4.
int i= -20;
unsigned int j = 10;
//-20
//10000000000000000000000000010100  原碼
//11111111111111111111111111101011  反碼
//11111111111111111111111111101100  補碼
//10
//00000000000000000000000000001010  原反補
//i+j
//11111111111111111111111111110110  補碼
//11111111111111111111111111110101  反碼
//10000000000000000000000000001010  原碼  -10
printf("%d\n", i+j);
//按照補碼的形式進行運算，最后格式化成為有符號整數

5.
unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)//i為無符號數恒大于0，條件恒成立，死循環
{
    printf("%u\n",i);
}

6.
int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
    {
        a[i] = -1-i;//a[0]=-1，且數組中數據類型為char，范圍是-128到127
    }
    printf("%d",strlen(a));//strlen遇到'\0'(0)就停止計數，而這里數組的第256個元素a[255]=0
    return 0;              //所以這里輸出255
}

7.
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)//i為無符號數且為char類型，i<=255恒成立，死循環
    {
        printf("hello world\n");
    }
    return 0;
}

浮點型在內存中的存儲

常見的浮點數：

3.14159 1E10 浮點數家族包括： float、double、long double 類型。 浮點數表示的范圍：float.h中定義。

浮點數存儲的例子：

int main()
{
    int n = 9;
    float *pFloat = (float *)&n;
    printf("n的值為：%d\n",n);
    printf("*pFloat的值為：%f\n",*pFloat);
    *pFloat = 9.0;
    printf("num的值為：%d\n",n);
    printf("*pFloat的值為：%f\n",*pFloat);
    return 0;
}

輸出的結果是什么呢？

num 和 *pFloat 在內存中明明是同一個數，為什么浮點數和整數的解讀結果會差別這么大？ 要理解這個結果，一定要搞懂浮點數在計算機內部的表示方法。

根據國際標準IEEE（電氣和電子工程協會） 754，任意一個二進制浮點數V可以表示成下面的形式：

• (-1)^S * M * 2^E

• (-1)^s表示符號位，當s=0，V為正數；當s=1，V為負數。

• M表示有效數字，大于等于1，小于2。

• 2^E表示指數位。

舉例來說：

十進制的5.0，寫成二進制是 101.0 ，相當于 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。

十進制的-5.0，寫成二進制是 -101.0 ，相當于 -1.01×2^2 。那么，s=1，M=1.01，E=2

注意：有些數字可能不能精確表示，例如0.3

IEEE 754規定： 對于32位的浮點數，最高的1位是符號位s，接著的8位是指數E，剩下的23位為有效數字M。

對于64位的浮點數，最高的1位是符號位S，接著的11位是指數E，剩下的52位為有效數字M。

IEEE 754對有效數字M和指數E，還有一些特別規定。 前面說過， 1≤M<2 ，也就是說，M可以寫成 1.xxxxxx 的形式，其中xxxxxx表示小數部分。

IEEE 754規定，在計算機內部保存M時，默認這個數的第一位總是1，因此可以被舍去，只保存后面的xxxxxx部分。比如保存1.01的時候，只保存01，等到讀取的時候，再把第一位的1加上去。這樣做的目的，是節省1位有效數字。以32位浮點數為例，留給M只有23位，將第一位的1舍去以后，等于可以保存24位有效數字。

至于指數E，情況就比較復雜。

首先，E為一個無符號整數（unsigned int） 這意味著，如果E為8位，它的取值范圍為0~255；如果E為11位，它的取值范圍為0~2047。但是，我們知道，科學計數法中的E是可以出現負數的，所以IEEE 754規定，存入內存時E的真實值必須再加上一個中間數，對于8位的E，這個中間數是127；對于11位的E，這個中間數是1023。比如，2^10的E是10，所以保存成32位浮點數時，必須保存成10+127=137，即10001001。

例如：

int main()
{
	float f = 5.5f;
	//101.1
	//科學計數法：(-1)^0*1.011*2^2
	//S=0
	//M=1.011
	//E=2  +127存儲
	//二進制表示：0 10000001 01100000000000000000000
	//十六進制：  40 B0 00 00
	return 0;
}

其中我們可以看出浮點數在內存中的存儲，也是有大小端的。

然后，指數E從內存中取出還可以再分成三種情況：

E不全為0或不全為1

這時，浮點數就采用下面的規則表示，即指數E的計算值減去127（或1023），得到真實值，再將有效數字M前加上第一位的1。 比如： 0.5（1/2）的二進制形式為0.1，由于規定正數部分必須為1，即將小數點右移1位，則為1.0*2^(-1)，其階碼為-1+127=126，表示為01111110，而尾數1.0去掉整數部分為0，補齊0到23位00000000000000000000000，則其二進制表示形式為:

0 01111110 00000000000000000000000

E全為0

這時，浮點數的指數E等于1-127（或者1-1023）即為真實值， 有效數字M不再加上第一位的1，而是還原為0.xxxxxx的小數。這樣做是為了表示±0，以及接近于0的很小的數字。

E全為1

這時，如果有效數字M全為0，表示±無窮大（正負取決于符號位s）；

最后來解釋一下前面的題：

int main()
{
    int n = 9;
    //000000000000000000000000000001001
    float* pFloat = (float*)&n;
    //將整形9的二進制位轉化為浮點型，S=0，E為全0，所以可以表示近似為0
    printf("n的值為：%d\n", n);
    printf("*pFloat的值為：%f\n", *pFloat);
    *pFloat = 9.0;
    //1001.0
    //S=0,E=130(3+127),M=1001
    //9.0在內存中的二進制:01000001000100000000000000000000
    printf("num的值為：%d\n", n);//這里打印的n是以9.0在內存中的二進制位以整形打印，所以結果不是9.0
    printf("*pFloat的值為：%f\n", *pFloat);
    return 0;
}

“C語言數據在內存的儲存方式”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！