C语言——数据在内存中的存储

引言

数据是程序运行的核心。当我们用C语言编写程序时，我们实际上是在操纵内存中的数据。这些数据在内存中是如何储存的，今天我们就来学习这些内容。

基本数据类型

1.整型

int: 基本整型，通常占用4个字节

short: 短整型，通常占用2个字节

long: 长整型，通常占用4个字节

long long: 更长的整型，8个字节

signed: 有符号整型，可以表示正数、负数和零

unsigned: 无符号整型，只能表示非负整数

2.浮点型

float: 单精度浮点型，通常占用4个字节

double: 双精度浮点型，通常占用8个字节

long double: 扩展双精度浮点型，精度高于double，占用的字节数也更多，有 16 字节、12 字节、8 字节，其中 16 字节占大多数

3.字符型

char: 字符型，通常占用1个字节

4.复合数据类型

数组

结构体

联合体

枚举

其中，结构体、联合体和枚举我将会单独写一篇文章为大家介绍，敬请期待~

5.指针类型

//32位环境下指针变量大小 4
//64位环境下指针变量大小 8
char*：字符指针
short*：短整型指针
int*：整型指针
long*：长整型指针
long long*：更长类型指针
float*：单精度浮点数指针
double*：双精度浮点数指针
void*：空类型指针

6.void类型

void 类型通常用于表示没有返回值或没有参数的函数，或者用于声明一个指针，该指针不指向任何具体类型的数据

整数在内存中的储存

1.原码、反码、补码

在之前学习位操作符时，我们就有学习到：

整数的二进制表示方式有三种，即原码、补码和反码

原码、反码、补码是计算机中用于表示和处理有符号整数的三种编码方式

三种表示方法均由符号位和数值位组成，最高位为符号位

符号位用0表示正数，用1表示负数

正数的原码反码补码均相同

负数的原码反码补码均不同

原码：直接将数值按照正负数的形式转换为二进制得到的就是原码

反码：原码符号位不变，其他位按位取反得到的就是反码

补码：反码+1得到的就是补码

对于整型来说：数据存放其实存放的是补码

原因是：1.使用补码，可以将符号位和数值位统一处理；

2.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

也可以看看我之前写的文章，或许会更有利于理解

C语言——位操作符详解

2.signed和unsigned

2.1 signed

signed表示有符号的整数类型。有符号整数的表示方法是采用二进制补码，最高位（最左边的一位）是符号位，用于表示正负，0表示正，1表示负

C语言中的有符号整数类型包括signed char、signed short、signed int和signed long，它们的取值范围和精度取决于编译器和平台的实现。例如，signed char的取值范围是-128到127，占用1个字节（8位）的存储空间

2.2 unsigned

与signed相对，unsigned表示无符号的整数类型。无符号整数只能表示非负数（包括零），其范围从零到正的最大值

unsigned整数在计算机中的存储方式与有符号整数有所不同。对于无符号整数，所有的位都用于表示数值，没有专门的符号位

在C语言中，常见的无符号整数类型有unsigned char、unsigned short、unsigned int和unsigned long。它们的取值范围通常是从0到某个正的最大值，这个最大值取决于整数类型占用的位数

大小端

我们来看一段代码并试着通过调试查看一下内存

int main()
{
	int a = 0x11223344;

	return 0;
}

我们可以看到，a中的0x11223344这个数字似乎是按照字节为单位，倒着排序的，这是为什么呢？

其实这是小端字节序系统的特性

接下来我们来学习一下大小端

1.什么是大小端

大小端是计算机系统中关于字节序的一个术语，它描述的是多字节数据在内存中的存放顺序。具体来说，大小端涉及到如何排列一个数值的多个字节。

大端：高位字节存放在内存的低地址端，低位字节存放在内存的高地址端。这种存储方式符合人类常规的数值读写习惯，即先读高位字节，再读低位字节。

小端：低位字节存放在内存的低地址端，高位字节存放在内存的高地址端。这种存储方式在计算机内部处理数据时较为常见，因为大多数计算机电路都是先处理低位字节，再处理高位字节，从而提高处理效率。

来看个图：

2.为什么有大小端

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。

大小端各有其优缺点，适用于不同的场景。例如，小端模式在处理数值计算时更为高效，因为CPU在进行数值计算时，低位与低位相加，只需要顺序读取内存地址。而大端模式在判断数据的正负和大小方面更为方便，因为数据的符号位位于其对应的内存地址的第一个字节。

3.判断大小端

方法1：

最简单的方法自然是直接通过调试查看内存啦

方法2：

通过代码判断

我们需要取出n的地址的第一位，怎么样才能取出第一位呢？

我们可以用 char* 取出n的地址的第一位

在小端字节序的计算机中，int类型的1在内存中的表示是0x01 00 00 00（假设int是4字节）。因此，通过char指针解引用得到的第一个字节的值是0x01，即十进制的1

而在大端字节序的计算机中，int类型的1在内存中的表示是0x00 00 00 01。通过char指针解引用得到的第一个字节的值是0x00，即十进制的0

代码实现如下：

int main()
{
	int n = 1;	//0x00 00 00 01
	//小端01 00 00 00
	//大端00 00 00 01
	if (*(char*)&n == 1) //char* 为一个字节
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

整型截断

1.什么是整型截断

整型截断是指在将一个字节大的整型数据赋值给一个字节小的整型变量时，发生的数据丢失现象

整型数据的存储大小是固定的，例如char类型通常占用1个字节，int类型通常占用4个字节。当我们试图将一个int类型的值赋给一个char类型的变量时，由于char类型的存储空间较小，无法容纳int类型的全部数据，因此会发生截断

2.例子

来看个示例

int main()
{
	int a = -1;
	char b = a;
	printf("%d", b);
	return 0;
}

a的原码：10000000000000000000000000000001

a的反码：11111111111111111111111111111110

a的补码：11111111111111111111111111111111

由于b是char类型的，只有1个字节，占8个比特位，当a赋值给b时，会出现整型截断，最低8位保留，最高24位舍弃

b的补码：11111111

b的反码：11111110

b的原码：10000001

因此b等于-1

整型提升

1.什么是整型提升

整型提升是一种隐式类型转换机制。C语言中字节数少于整型字节数的数据类型在进行整型运算时，该类型的数据会被默认转为整型数据

其中，该类型的数据被转化为整型数据的过程就称为整型提升

2.例子

那数据是如何进行整型提升的？

有如下两条规则：

如果是无符号数，则高位直接补0
如果是有符号数，则高位全补符号位

例子1：

char a=1;

补码：00000001

有符号数，符号位为0，整型提升后为：00000000 00000000 00000000 00000001

例子2：

char b=-1;

补码： 11111111

有符号数，符号位为1，整型提升后为：11111111 11111111 11111111 11111111

例子3：

unsigned c=-1;

补码：11111111

无符号数，高位全部补0，整型提升后为：00000000 00000000 00000000 11111111

练习题

1.练习题1

int main() 
{
    char a = -1;
    //   a的原码：10000000000000000000000000000001
    //   a的反码：11111111111111111111111111111110
    //   a的补码：11111111111111111111111111111111
    signed char b = -1;
    unsigned char c = -1;
    //a、b、c均存储为11111111
    printf("a=%d b=%d c=%d", a, b, c);
    //发生整型提升：
    //a、b有符号，整型提升为：11111111111111111111111111111111
    //c无符号，整型提升为：00000000000000000000000011111111
    return 0;
}

输出结果为：

a=-1 b=-1 c=255

2.练习题2

int main() 
{
    char a = -128;
    //原码：10000000000000000000000010000000
    //反码：11111111111111111111111101111111
    //补码：11111111111111111111111110000000
    //发生整型截断：10000000
    printf("%u", a);
    //发生整型提升：11111111111111111111111110000000
    //%u打印无符号整型：4294967168
    return 0;
}

输出结果为：

4294967168

3.练习题3

int main() 
{
    char a[1000];
    int i = 0;
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        a[i] = -1 - i;
        //有符号char最小值为：11111111 ->-127
        //C语言特别规定10000000->-128
        //由于最高位为符号位
        //所以最大值为：01111111->127
    }
    printf("%d", strlen(a));    //strlen以'\0'(ASCII为0)为结束标志
    //当i=128时
    //-129的补码：11111111111111111111111101111111
    //发生整型截断
    //01111111->127
    //因此a[i]储存的数据为-1、-2、-3......-128、127、126......1、0
    //长度=127+128=255
    return 0;
}

输出结果为：

255

为了更方便我们理解，我们可以尝试用画图来直观的看一下

补充：图中的数字均以补码形式表示

循环会从-1开始，逆时针旋转，直到遇到0为止

所以a[i]储存的数据为-1、-2、-3......-128、127、126......1、0

长度=127+128=255

4.练习题4

int main()
{
    unsigned char i = 0;
    for (i = 0; i <= 255; i++)
    {
        printf("hello world\n");
    }
    //由于i是无符号字符类型
    //最小值为0，最大值为255
    //i在递增到255时再+1又会回到0
    //因此代码会循环打印hello world
    return 0;
}

输出结果：

循环打印 hello world

5.练习题5

int main()
{
	unsigned int i;
	//i为无符号整数
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u ", i);
	}
	//先打印9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
	//然后到-1
	//由于i是unsigned int类型，不能表示负数
	//当i递减到0并执行i--操作时，它不会变成-1
	//而是变成unsigned int能够表示的最大值
	//即2^32-1
	//因此循环条件i>=0始终为真
	//最终导致死循环
	return 0;
}

输出结果为：

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0......（死循环）

浮点数在内存中的存储

1.浮点数的存储规则

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可以表示成如下形式：

V = (−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，M是大于等于1，小于2的
• 表示指数位

2.例子

为了方便我们理解，我们来看个例子：

十进制的5.0，写成二进制是101.0，相当于1.01×2^2

那么，根据V的格式，我们可以得知：

S=0，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.浮点数的存与取

3.1 浮点数的存储过程

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

指数E是一个无符号整数（unsigned int）

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

3.2 浮点数的取出过程

指数E从内存中取出可以分为三种情况：

E不全为0或不是1

这时，浮点数采用以下规则表示：指数E的计算值减去127（或者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的二进制形式位0.1，由于规定了正数部分必须为1，则需要将小数点右移1位，则为1.0×2^（-1），其阶码为-1+127（中间值）=126，表示为01111110，而尾数1.0去掉整数部分为0，补充0到23位00000000000000000000000，其二进制表示位：

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不再是加上第一位的1，而是还原成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

255 - 127 = 128 或 2047 - 1023 = 1024，与第二点相反，这时这个数无穷大

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）

4.例题解析

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;
}

输出结果为：