【C】数据在内存中的存储

前言

> 在内存中，整型和浮点型存储的方式是不同的，从内存中读取的方式也是有所差异的，这篇文章主要介绍整型和浮点型在内存中存储的方式。

整型在内存中的存储

计算机中有符号数有3种表示方式：

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：原码符号位不变，原码按位取反即可。（二进制最高位为符号位，0为正，1为负）
补码：反码加一得到补码。

正数的原码、反码、补码都是相同的。
例如：
1 的原码反码补码

原码：00000000 00000000 00000000 00000001
反码：00000000 00000000 00000000 00000001
补码：00000000 00000000 00000000 00000001

-1 的原码反码补码

原码：10000000 00000000 00000000 00000001
反码：111111111 111111111 111111111 111111110
补码：111111111 111111111 111111111 111111111

整型还分为有符号整型和无符号整型，无符号整型没有符号位，32个比特位全为有效位，所以无符号整型都是大于等于0的。
整型在内存中存储的都是补码。为什么这么说呢？
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。

大小端字节序存储

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。

那么如何设计一个程序来判断该机器是大段存储还是小端存储呢？

我们可以用数字1来举例，我们将a的地址取出，强制转化为字符指针，这样我们解引用只能访问一个字节的内容，如果这个字节的内容为1，就证明该机器为小端存储，否则就为大端存储。
代码如下：

#include <stdio.h>

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

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

例如：
5.5 的二进制就是：(-1)^0 * 1.011 * 2^2 这里S=0；M=1.011；E=2；
-5.5的二进制就是：(-1)^1 * 1.011 * 2^2 这里S=1；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。
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。

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。

从内存中取出还要分为三种情况：

E不全为0或不全为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。比如： 0.5（1/2）的二进制形式为0.1，由于规定正数部分必须为1，即将小数点右移1位，
则为1.0*2^(-1)，其阶码为-1+127=126，表示为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补齐0到23位
00000000000000000000000，则其二进制表示形式为:

0 01111110 00000000000000000000000

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。

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）。

接下来给大家举个例子:

#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;
}