C语言进阶1-数据在内存中的存储_c语言宏定义的数据存在哪里

数据在内存中的存储

文章目录

• 数据在内存中的存储
• 本章重点
• • 1. 数据类型介绍
  • • 1.1 类型的基本归类：
    • • 整形家族：
      • 浮点数家族：
      • 构造类型：
      • 指针类型
      • 空类型：
  • 2. 整形在内存中的存储
  • • 2.2 大小端介绍
    • 2.2 练习
  • 3. 浮点型在内存中的存储
  • • 3.1 浮点数存储的例子：
    • 3.2 浮点数存储规则

本章重点

1. 数据类型详细介绍
2. 整形在内存中的存储：原码、反码、补码
3. 大小端字节序介绍及判断
4. 浮点型在内存中的存储解析

---

1. 数据类型介绍

我们已经学习了基本的内置类型：

char        //字符数据类型 - 字符在底层存储的是ASCII值，归类于“整型”
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
//C语言有没有字符串类型？

类型的意义：

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

---

1.1 类型的基本归类：

整形家族：

char
     unsigned char//无符号
     signed char //有符号
short
     unsigned short [int]
     signed short [int]
int
     unsigned int
     signed int
long
     unsigned long [int]
     signed long [int]
long long//8字节  

//一些定义
int main()
{
	signed short int a = 0;
	unsigned short b = 0;

	char a;//有符号？还是无符号？
		   //取决于编译器，大部分的编译器下char 就是signed char

	//short/int/long  - 都是有符号的
	short  == signed short
	int    == signed int
	long   == signed long
        
	//默认都是有符号的，若需要定义无符号，则必须定义无符号
	unsigned short;
	unsigned int;
	unsigned long;

	return 0;
}

unsigned和signed辨析

unsigned和signed范围对比

浮点数家族：

float//4byte
double//8byte，更高精度

构造类型：

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

//数组类型剖析
#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int arr[10] = {0};
	printf("%d\n", sizeof(a));//4
	printf("%d\n", sizeof(int));//4

	printf("%d\n", sizeof(arr));//40
	printf("%d\n", sizeof(int [10]));//40 - 数组类型

	int arr2[5];//数组类型发生变化 - int [5]
	return 0;
}

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。

函数参数void剖析

---

2. 整形在内存中的存储

一个变量的创建是要在内存中开辟空间的，空间的大小是根据不同的类型而决定的。

数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

比如：

int a = -1;

//-1的原码、反码、补码
10000000000000000000000000000001 
11111111111111111111111111111110
11111111111111111111111111111111

了解下面的概念:

原码、反码、补码

有符号数的三种表示方法，即原码、反码、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：**原码、反码、补码相同

**负整数：**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。

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了。

补码

反码+1就得到补码。

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。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

2.2 大小端介绍

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。

为什么会有大小端模式

在计算机系统中，以字节为单位，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为8bit。

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

百度笔试题：

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。（10分）

#include <stdio.h>

//version1
int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;

	if (*p == 1)
		return 1;//小端字节序
	else
		return 0;//大端字节序
}

//version2
int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;
	return *p;
}

//version3
int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;//取地址 - 强制类型转换 - 解引用
    			      //指针类型使用的启发
}

int main()
{
	//int a = 0x11223344;
	//short b = 0x5566;

	//如果是大端，返回0
	//如果是小端，返回1
	int ret = check_sys();
	if (1 == ret)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

2.2 练习

1.
//输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
	char a = -1;         //1.-1存入a，依次显示原反补码
						 //10000000000000000000000000000001 
						 //11111111111111111111111111111110
						 //11111111111111111111111111111111
						 //11111111 - a 
    
						 //2.限于char的大小，发生截断，当以整数打印时，进行整型提升,按符号位补充
						 //11111111111111111111111111111111 - 整型提升后的结果
						 //11111111111111111111111111111110 - 补码
						 //10000000000000000000000000000001 - 原码：-1
	signed char b = -1;  //11111111 - b - 等价于a

	unsigned char c = -1;//11111111 - c 
						 //无符号数整型提升，高位补0
						 //00000000000000000000000011111111 - 整型提升的结果
						 //00000000000000000000000011111111
	                     //00000000000000000000000011111111 - 正数原反补相同

	printf("a=%d,b=%d,c=%d", a, b, c);//%d - 以有符号整数的形式进行打印
									  
	return 0;
}

2.
#include <stdio.h>
int main()
{
					  //1.
	char a = -128;	  //10000000000000000000000010000000 - 原码
					  //11111111111111111111111101111111 - 反码
					  //11111111111111111111111110000000 - 补码
					  //10000000 - a存在内存的8bit
					  
					  //2. 整型提升 char a - 有符号数
					  //11111111111111111111111110000000 - 整型提升结果
					  
					  //3.无符号数 - 原反补相同 - 4294967168
	printf("%u\n", a);//%u - 以无符号整数打印

	return 0;
}

3.
#include <stdio.h>
int main()
{						
	char a = 128;      //1.存进a的值
					   //00000000000000000000000010000000 - 128原、反、补码
					   //10000000 - a
    
					   //2.对10000000进行整型提升，a是char类型，1被认为是符号位
					   //11111111111111111111111110000000
    
	printf("%u\n", a); //3.无符号数打印 - 原反补相同 - 4294967168
	return 0;
}

4.
#include <stdio.h>
int main()
{
	int i = -20;			//10000000000000000000000000010100 - -20原码
	                        //11111111111111111111111111101011 - 反码
							//11111111111111111111111111101100 - -20的补码

	unsigned int j = 10;    //00000000000000000000000000001010 - 10的补码
							//11111111111111111111111111110110 - 相加后补码
							//11111111111111111111111111110101 - 反码
							//10000000000000000000000000001010 - 结果：-10
	
	//printf("%d\n", i + j);//-10
	printf("%u\n", i + j);//%u - 无符号打印，相加后的补码即是有效值  //4294967286
	return 0;
}

//类比4.
#include <stdio.h>
int main()
{
	unsigned int n = -10;//将-10的补码放入n，内存只是提供一块空间，不关心n的类型
						 //10000000000000000000000000001010
						 //11111111111111111111111111110101
						 //11111111111111111111111111110110
						 //
						 //%d - 以有符号整数打印,最高位是符号位，补码放入，原码显示
						 //%u - 以无符号整数打印,所有位都是有效位 

	printf("%d\n", n);//-10
	printf("%u\n", n);//4294967286

	return 0;
}

//按值存入，类型不重要，关键是怎么读取打印
//回顾操作符 - 算数转换 的知识/

5.
//i>0恒成立，死循环
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
	unsigned int i;             //无符号i
								
	for (i = 9; i >= 0; i--)    //9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1  
	{							//11111111111111111111111111111111					
		printf("%u\n", i);		//%u - -1被理解为无符号整数
		Sleep(1000);
	}

	return 0;
}

6.
#include <stdio.h>
int main()
{
	char a[1000];
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d", strlen(a));//找'\0'(ASCII:0) 之前元素的个数 - 255
	return 0;
}

7.
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;//unsigned char 的取值范围 0~255

int main()
{
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
		printf("hello world\n");//死循环打印
	}

	return 0;
}

3. 浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159

1E10=1.0*10^10

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 浮点数存储的例子：

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

	printf("n的值为：%d\n", n);//9
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//以整数放进去，以浮点数形式拿出来，说明两者存储方式有别

	*pFloat = 9.0;
	printf("num的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);//9.000000

	return 0;
}

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？(留到文章最后解释)

下面介绍浮点数在计算机内部的表示方法。

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
• (-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。

IEEE 754规定：

对于32位的浮点数(float)，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(double)，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。

//浮点数的存储过程举例
#include <stdio.h>
int main()
{
	float f = 5.5f;//101.1
				   //(-1)^0 * 1.011 * 2^2
				   //S=0
				   //M=1.011
				   //E=2   +127存储
				   //0 10000001 01100000000000000000000
			       //S    E              M
				   //0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000
				   //40 B0 00 00 - 16进制
	return 0;
}

然后，指数E从内存中取出还可以再分成三种情况：

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

首先存入值是在真实值基础上+127获得，故出现E全为0的情况说明原数字极小。

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

E的真实值+127等于存入值255

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）

好了，关于浮点数的表示规则，就说到这里。

---

解释前面的题目：

困惑点有二

• printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);

  9还原成浮点数

• printf("num的值为：%d\n", n);

  9.0还原成整数

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 9;								//00000000000000000000000000001001	- 原反补相同				
	float* pFloat = (float*)&n;				//浮点数打印：0 00000000 00000000000000000001001	
											//E为全0 - 规则：1-127 = -126
											//M:0.00000000000000000001001
											//%f打印时 = 0.00000000000000000001001*2^-126

	printf("n的值为：%d\n", n);				 //9
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);  //0.000000 以整数放进去，以浮点数形式拿出来，说明两者存储方式有别

	*pFloat = 9.0;						    //9.0 存 - 1001.0
										    //(-1)^0 * 1.001 * 2^3
										    //S=0
										    //E=3+127=130
										    //M=1.001
										    //0 10000010 00100000000000000000000
								            //01000001000100000000000000000000 - 以%d打印时，认定存储的是有符号整数 - 正数
    
	printf("num的值为：%d\n", n);			//1091567616 以浮点数存入，以整型取出
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat); //9.000000

	return 0;
}