C语言——整数和浮点数在内存中的存储

一、整数在内存中的存储

二、大小端字节序和字节序判断

2.1 什么是大小端？

2.2 为什么有大小端?

2.3 练习

2.3.1 练习1

2.3.2 练习2

三、浮点数在内存中的存储

3.1练习

3.2 浮点数的存储

3.2.1浮点数存的过程

3.2.2浮点数取的过程

3.3 题目解析

一、整数在内存中的存储

整数的2进制表示方法有三种，即 原码、反码和补码

有符号整形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”，而数值位最高位的⼀位是被当做符号位，剩余的都是数值位

无符号整形所有位都是数值位

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。

二、大小端字节序和字节序判断

当我们了解了整数在内存中存储后，我们调试看⼀个细节：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 0x11223344;

	return 0;
}

调试的时候，我们可以看到在a中的 0x11223344 这个数字是按照字节为单位，倒着存储的。这是为什么呢？

2.1 什么是大小端？

其实超过⼀个字节的数据在内存中存储的时候，就有存储顺序的问题，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，下⾯是具体的概念：

大端（存储）模式：是指数据的低位字节内容保存在内存的高地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的低地址处。

小端（存储）模式：是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的高地址处。

2.2 为什么有大小端?

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8 bit 位，但是在C语⾔中除了8 bit 的 char 之外，还有16 bit 的 short 型，32 bit 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 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。

2.3 练习

2.3.1 练习1

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。

//代码1
#include <stdio.h>
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;
}

这个代码中整形i的值位0x00000001，如果是小端存储，那么我们&i就会指向0x01的地址，我们把这个地址给一个char类型的指针返回ret，如果返回的是1，则说明是小端存储，是0则是大端存储。

//代码2
int check_sys()
{
	union
	{
		int i;
		char c;
	}un;
	un.i = 1;
	return un.c;
}

这里给大家提供一个更简单的代码，这个代码需要用到联合体的知识，后面我会在联合体中给大家讲解。

2.3.2 练习2

#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;
}

这里我只给大家讲解一下a

它是把一个整形-1赋值给字符a

因为整形的存储是以补码的形式

-1的原码是100000000000000000000000000000001

-1的反码是11111111111111111111111111111111111110

-1的补码是11111111111111111111111111111111111111

又因为char类型只有一个字节

所以赋值给a的时候只取第一个字节11111111

最后就是打印了，但是这里我们a是字符型，要打印整形

所以我们要整形提升，点击查看整形提升解释，这里不做解释

a的类型是有符号字符型，有符号提升我们补符号位

11111111111111111111111111111111111111->这是补码

因为我们%d是打印有符号整形，所以我们要转换成原码

转换出来就是100000000000000000000000000000001

所以打印出来就是-1

三、浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：3.14159、1E10等，浮点数家族包括： float、double、long double 类型。浮点数表示的范围： float.h 中定义

3.1练习

#include <stdio.h>
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("num的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

输出什么？

3.2 浮点数的存储

上面的代码中， 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。

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：

举例来说：

十进制的5.0，写成⼆进制是 101.0 ，相当于 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。

十进制的-5.0，写成⼆进制是 -101.0 ，相当于 -1.01×2^2 。那么，S=1，M=1.01，E=2。

IEEE 754规定：

对于32位的浮点数，最⾼的1位存储符号位S，接着的8位存储指数E，剩下的23位存储有效数字M

对于64位的浮点数，最⾼的1位存储符号位S，接着的11位存储指数E，剩下的52位存储有效数字M

3.2.1浮点数存的过程

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。