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C语言之数据在内存中的存储

其他 HighLight_FanYa 1798次浏览 0个评论

 

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

C语言之数据在内存中的存储

 

 

 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

C语言之数据在内存中的存储

 

 

 

 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

C语言之数据在内存中的存储

 

 

 

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

C语言之数据在内存中的存储

 

 

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

C语言之数据在内存中的存储

 

 

 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

C语言之数据在内存中的存储

 

 

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

C语言之数据在内存中的存储

 

 

 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; }

C语言之数据在内存中的存储

 

 

 运行结果:C语言之数据在内存中的存储

 

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 

 C语言之数据在内存中的存储

 

 

 

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:

C语言之数据在内存中的存储

 

 

 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。

C语言之数据在内存中的存储

  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。

C语言之数据在内存中的存储

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

C语言之数据在内存中的存储

 

 

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


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