[C语言基础]9.数据在内存中的存储

数据类型

[[1.C语言初识### 数据类型]]

数据类型	意义	字节
char	字符数据类型	1
short	短整型	2
int	整型	4
long	长整型	4\8
long long	整形	8
float	单精度浮点数	4
double	双精度浮点数	8
long double	扩展精度浮点数	8

构造类型

数组类型 int arr[10]; int arr[5];是两种类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

指针类型

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

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。

void* p
void test()

2.整形在内存中的存储

2.1 原码、反码、补码

[[5.操作符## 数字编码]]

原码

数值二进制，符号位0+，1-。
反码
原码符号位不变，其他位依次按位取反。
补码
反码+1。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

1. 使用补码，可以将符号位和数值域统一处理;
2. 加法和减法也可以统一处理(CPU只有加法器);
3. 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。

大小端介绍

大端（存储）模式：数据的高位存在内存的低地址中；
小端（存储）模式：数据的高位存在内存的高地址中。
数据：左边高字节位

VS中：高字节 放 低地址—>小端存储：由硬件芯片决定

eg：程序判断大小端

int a = 1;//0x 00 00 00 01
01 00 00 00 小端
00 00 00 01 大端
&a 得到 第一字节地址
int* 直接访问4字节
强制转换类型-->char* 访问1字节
解引用 *(char*)&a == 1 -->小端

int main()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;
	if (*p == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

signed unsigned 存储及运算

eg1

 #include   
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;  
}

char a= -1;
内存中a：
10000000 00000000 00000000 00000001原
11111111 11111111 11111111 11111110反
11111111 11111111 11111111 11111111补
char a：
11111111截断 取后八位
a=%d
整形提升 有符号补符号位
11111111 11111111 11111111 11111111补
11111111 11111111 11111111 11111110反
10000000 00000000 00000000 00000001原--> a == -1

unsigned char c=-1; 
内存中c：
10000000 00000000 00000000 00000001原
11111111 11111111 11111111 11111110反
11111111 11111111 11111111 11111111补
char c:
11111111截断 取后八位
c=%d
整形提升 无符号补0
00000000 00000000 00000000 11111111补
00000000 00000000 00000000 11111111原--> c == 255

eg2

int main()
{
	char a = -128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

a
10000000 00000000 00000000 10000000原
11111111 11111111 11111111 01111111反
11111111 11111111 11111111 10000000补
char a
10000000 截断
printf("%u\n", a);
整形提升，u%无符号数
11111111 11111111 11111111 10000000补
11111111 11111111 11111111 10000000原-->4294967168

eg3

int main()  
{  
char a = 128;  
printf("%u\n",a);  
return 0;  
}

a
00000000 00000000 00000000 10000000原
01111111 11111111 11111111 01111111反
01111111 11111111 11111111 10000000补
char a，第一位为符号位
10000000 截断
printf("%u\n", a);
整形提升，u%无符号数
11111111 11111111 11111111 10000000补
11111111 11111111 11111111 10000000原-->4294967168

5.操作符 整形提升
eg4

int main()
{
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数
	return 0;
}

int i = -20;
10000000 00000000 00000000 00010100原
11111111 11111111 11111111 11101011反
11111111 11111111 11111111 11101100补
unsigned int j = 10;
00000000 00000000 00000000 00001010原
i + j
11111111 11111111 11111111 11101100补i
00000000 00000000 00000000 00001010补j
11111111 11111111 11111111 11110110补i+j
11111111 11111111 11111111 11110101反
10000000 00000000 00000000 00001010原-->-10

eg5

int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}

i=9
00000000 00000000 00000000 00001001-->9
···
i=0
00000000 00000000 00000000 00000000-->0
i--,i == -1
10000000 00000000 00000000 00000001原
11111111 11111111 11111111 11111110反
11111111 11111111 11111111 11111111补-->4294967295
无符号整数不能表示负数，i >= 0 恒成立

eg6

int main()
{
	char a[1000];
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d", strlen(a));
	return 0;
}

char -128 ~ 127,256个数字
-1 -2 ··· -128 127 126 ··· 2 1 0
-1 -2 ··· -128 127 126 ··· 2 1 0
···填满 1000 个数组
strlen(a) 计算字符串长度
统计 \0 之前的的字符串个数
\0 的ASCII码值是 0
故-1 -2 ··· -128 127 126 ··· 2 1
共 255 个字符

eg7

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

unsigned char 0 ~ 255
i <= 255 恒成立
死循环

3.浮点型在内存中的存储

浮点数包括：float、double、long double 类型。
浮点数范围：float.h中定义
整形范围：limits.h

浮点数存储

eg

int main()
{
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);//n的值为：9
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//*pFloat的值为：0.000000
	*pFloat = 9.0;
	printf("num的值为：%d\n", n);//num的值为：1091567616
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//*pFloat的值为：9.000000
	return 0;
}

1. int n = 9;
   • 整型变量n初始化为 9。
   • 00000000 00000000 00000000 00001001
2. float* pFloat = (float*)&n;
   • (float*)类型强制转换，把n的地址int*类型转换为float*类型。
   • 0 00000000 00000000000000000001001
   • S E M
   • E为全0 --> E = -126
   • –> M = 0.00000000000000000001001
   • V = (-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^-126 --> 无穷小
   • pFloat是指向float类型的指针指向n地址。
3. printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
   • *pFloat解引用指针pFloat。pFloat指向n的地址
   • %f打印小数点后6位
   • 输出*pFloat的值为：0.000000
4. *pFloat = 9.0;
   • 解引用指针pFloat，写入一个float类型的值 9.0
   • 1001.0 --> (-1)^0 * 1.001 * 2^3
   • S=0; E=3; M=1.001
   • 0 10000010 00100000000000000000000
   • n是int类型，现在它存储的数据是按照float类型的存储方式写入的。
5. printf("num的值为：%d\n", n);
   • n已经被按float类型写入数据，按int类型读取，相当于读取补码
   • 0 10000010 00100000000000000000000
   • 输出num的值为：1091567616
6. printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
   • *pFloat访问所指空间的值，其中写入的是float类型的 9.0
   • 正常输出*pFloat的值为：9.000000

浮点数存储规则

国际标准IEEE 754：二进制浮点数 V 可以表示为： (-1)^S * M * 2^E
(-1)^S：符号位；S=0，V为正；S=1，V为负。
M：有效数字，1≤M<2 。
2^E：指数位。

5.5 --> 101.1 --> (-1)^0*1.011*2^2
S=0; M=1.011; E=2

IEEE 754规定：

• 32位的float，最高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
• 64位的double float，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
  对有效数字M特别规定：
• 1≤M<2，M可以写成 1.xxxxxx的形式。
• 计算机内部保存M时，默认第一位总是1，可以舍去，只保存后面的 xxxxxx部分。
• 保存1.011时，只保存011，读取时把第一位的1加上去。
• 这样节省1位有效数字。
• 32位float，M23位，将第一位的1舍去，可保存24位有效数字。
• 64位double float，M只有52位，可保存53位有效数字。
  对指数E特别规定：
• E为一个无符号整数unsigned int。
• E为8位，0_{255；E为11位，0}2047。
• 但E存在负数情况。

0.5-->0.1-->(-1)^0*1.0*2^(-1)

• IEEE 754规定，存入内存时E的真实值必须再加上一个中间数，8位的E是127；11位的E是1023。

int main()
{
	float f = 5.5;
	return 0;
}

&f–>00 00 b0 40 小端存储

101.1-->(-1)^0 * 1.011 * 2^2
S=0; M=1.011; E=2,E存入时为 2+127=129-->10000001
0 10000001 01100000000000000000000
0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000
4    0    b    0    0    0    0    0
0x40b00000

指数E从内存中取出，分成三种情况：

1. E不全为0或不全为1
   指数E的计算值减去127(1023)得到真实值，再将有效数字M前加上第一位的1。

   0x40b00000
   4    0    b    0    0    0    0    0
   0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000
   0 10000001 01100000000000000000000
   S E        M
   E:10000001 --> 129 --> 129-127 =2
   M:01100000000000000000000 --> 011 --> 1.011
   

2. E全为0
   E真实值为：-127(-1023)–>无穷小
   规定E为：1-127(1-1023)即为真实值
   同时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，以及趋近于0的数字
3. E全为1
   E真实值为：128(1024)–>无穷大
   如果有效数字M全为0，表示±无穷大（正负取决于符号位s）