C语言进阶——1数据的存储

目录

  • 1. 数据类型介绍
    • 1.1 类型的基本归类：
      • 1.1.1 整形家族
      • 1.1.2 浮点型家族
      • 1.1.3 构造类型：
      • 1.1.4.指针类型
      • 1.1.5 void 表示空类型（无类型）
  • 2. 整形在内存中的存储
    • 2.1 原码、反码、补码
      • 2.1.1 示例 20在计算机中的存储
    • 2.2 大小端
      • 2.2.1 百度2015年系统工程师笔试题 ——大小端
    • 2.3 练习
      • 2.3.1下面代码输出什么？
      • 2.3.2 下面代码输出是什么
      • 2.3.3 下面代码输出是什么？
      • 2.2.4 下面代码输出是什么？
      • 2.2.5 下面代码输出是什么？
      • 2.2.6 下面代码会输出什么？
      • 2.2.7 下面代码会输出什么？
  • 3. 浮点数的存储
    • 3.1 浮点数存储的例子
    • 3.2 浮点数存储规则
      • 3.2.1 有效数字M
      • 3.2.2 指数E
        • 1. E不全为0或不全为1
        • 2. E全为0
        • 3. E全为1
    • 3.3 本节根据3.2浮点数的存储规则来分析3.1的例子
    • 3.4 示例2

1. 数据类型介绍

C语言初阶中我们已经学习了C语言的内置类型，以及他们所占存储空间的大小。

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

类型的意义：

  • 使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）。
  • 如何看待内存空间的视角。

1.1 类型的基本归类：

1.1.1 整形家族

字符在存储的时候存储的是ASCII码值，ASCII是整数，所以在归类的时候，字符属于整型家族
平常我们写的int默认就是signed int ；long 默认就是signed long
char 默认是signed 还是unsigned 取决于编译器 常见的编译器上char ==signed char

char
   unsigned char
   signed char
short
   unsigned short [int]//这个int我们一般都不写
   signed short [int]//这个int我们一般都不写
int
   unsigned int
   signed int
long
   unsigned long [int]//这个int我们一般都不写
   signed long [int]//这个int我们一般都不写

1.1.2 浮点型家族

float
double

1.1.3 构造类型：

> 数组类型
> 结构体类型 struct
> 枚举类型 enum
> 联合类型 union

1.1.4.指针类型

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

1.1.5 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 fun();
void fun(void);
void *p; //void *是指一种指针，无具体类型的指针

2. 整形在内存中的存储

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法，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”。

正整数的原、反、补码都相同。

负整数的三种表示方法各不相同。
原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。
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反码。
补码：反码+1就得到补码。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

原因：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，（1-1转变为1+（-1）），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（符号位不变，其他位按位取反再+1），不需要额外的硬件电路。

2.1.1 示例 20在计算机中的存储

#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 20; 
	int b = -10;
	return 0;
}

进入调试界面。打开内存窗口（输入&a）
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

我们可以清晰的看到：
地址0x00000593F8FF6D4 存放的是14
地址0x00000593F8FF6D5 存放的是00
地址0x00000593F8FF6D6 存放的是00
地址0x00000593F8FF6D7 存放的是00

我们看到我们的a=20在内存中的存放是倒着放的

分析
在这里插入图片描述

下面介绍下大小端

2.2 大小端

大端小端定义：
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。

示例：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。

2.2.1 百度2015年系统工程师笔试题 ——大小端

题目描述：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。

思路：我们现在知道小段模式，是低字节放在低地址处；大端模式是低字节放在高地址处，所以我们只需要取出第一个字节。看他是低字节还是高字节的数值即可

代码实现1：

#include<stdio.h>

int endianess()
{
	int a = 1; 0x00000001  //1是低字节，小端就应该在低地址，我们只取出1个字节，如果是1，那就是小端，如果是0 说明高字节在低地址是大端

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

int main()
{
	endianess();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

代码实现2：在代码1 的基础上对函数进行改进

#include<stdio.h>

int endianess()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
	int ret =endianess();
	if (ret)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

2.3 练习

2.3.1下面代码输出什么？


#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;
}

在这里插入图片描述

分析 输出结果： a = -1, b = -1, c =255
在这里插入图片描述

2.3.2 下面代码输出是什么

#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}

在这里插入图片描述

分析 输出结果：4294967168
在这里插入图片描述

2.3.3 下面代码输出是什么？

#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = 128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

在这里插入图片描述

分析 输出结果：4294967168
在这里插入图片描述

2.2.4 下面代码输出是什么？

int i= -20;
unsigned  int  j = 10;
printf("%d\n", i+j);

在这里插入图片描述

分析 输出结果： -10

#include<stdio.h>

int main()
{
	int i = -20;            //-20的原码 10000000 00000000 00000000 00010100
	                        //-20的反码 11111111 11111111 11111111 11101011
	                              //-20的补码 11111111 11111111 11111111 11101100
	unsigned  int  j = 10;  //10的原/反/补码：00000000 00000000 00000000 00001010
	printf("%d\n", i + j);        //补码相加：11111111 11111111 11111111 11110110  %d 有符号打印，这个结果是一个有符号的数，最高位是1表示负数
	                            //求原码先取反10000000 00000000 00000000 00001001
	                           // 再+1        10000000 00000000 00000000 00001010 ——>得到-10
	return 0;
}

2.2.5 下面代码输出是什么？

#include<stdio.h>
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i); //减到-1的时候。 -1的补码：11111111 11111111 11111111 11111111 无符号打印的时候就是32位比特位所能表示的最大值，42亿9千万多的一个数字这个代码会死循环
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

分析 输出结果 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 4294967295 4294967294 … 死循环下去
在这里插入图片描述

2.2.6 下面代码会输出什么？

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

在这里插入图片描述

分析 输出结果：255
在这里插入图片描述

2.2.7 下面代码会输出什么？

#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)
   {
        printf("hello world\n");
   }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

分析 输出结果：会一直死循环打印 hello world
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

3. 浮点数的存储

常见的浮点数：
3.14159
1E10（表示1×10的10次方）
浮点数家族包括： float、double、long double 类型。
浮点数表示的范围：在float.h中定义

3.1 浮点数存储的例子

下面代码打印的结果是？

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

在这里插入图片描述

3.2 浮点数存储规则

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可以表示成下面的形式：

(-1)^ S × M × 2 ^ E
其中：
(-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。

举例

  1. 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。
  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。
    在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述
IEEE 754对有效数字M和指数E，还有一些特别规定。

3.2.1 有效数字M

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。

3.2.2 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。
eg：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。
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。（所以我们存储的时候E要+127，M要-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
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）

3.3 本节根据3.2浮点数的存储规则来分析3.1的例子

  1. 打印的是0.000000
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);

在这里插入图片描述

分析
在这里插入图片描述

  1. 打印的是 1091567616
#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;

}

在这里插入图片描述

分析
在这里插入图片描述
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3.4 示例2

#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;


	*pFloat = 3.5;
	// 11.1
	//(-1)^0 * 1.11*(2^1）
	//s = 0
	//e = 1  e实际存储的时候是1+127 =128
	//m = 1.11  m实际存储的时候是不存1的存的是0.11 然后后面再补0
	//0 10000000 11000000000000000000000
	//01000000 01100000 00000000 00000000 
	//40 14 00 00
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	


	return 0;
}

在这里插入图片描述

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