一篇文章带你了解C语言--数据的储存

前言

前面我们学习了C语言的一些基本知识和基础的语法，想必大家对C语言都有了自己的认识。

当然只是学习这些知识还是不够的，我们需要进行更加深入的学习。

从本章开始，我们将进行C语言进阶阶段的学习，所以难度会有所增加。

数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：

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

//C语言有没有字符串类型？

C语言中没有字符串类型，但是C语言提供了字符串常量。

C语言中字符串的概念：以 NULL('\0') 字节结尾的零个或多个字符，字符串通常储存在字符数组中

当一个字符串常量出现在一个表达式中时，表达式所使用的值就是这些字符所存储的地址，因此可以把字符串常量赋值给一个“指向字符的指针”。以及他们所占存储空间的大小。

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。

int main()
{
	int a = 10;//创建空间后，这块空间的内容以整型的方式考虑和使用
	char c = 'a';//创建空间后，以字符类型的方式考虑和使用
	return 0;
}

类型的基本归类

整形家族：

char
unsigned char
signed char

short
unsigned short [int]
signed short [int]

int
unsigned int
signed int

long
unsigned long [int]
signed long [int]

无符号数：即有符号数的符号位表示为有效位。

例如：

#include<stdio.h>
int main()
{
	unsigned int a = -1;
	printf("%u", a);
	return 0;
}

这里的-1是一个有符号数，当我们以无符号数打印时，最高位不再是符号位，且无符号数的原反补码相同，则它的所有位为1，打印出来是一个很大的数。

这里我们可以清楚的看出无符号与有符号数的区别。

注意：有符号中的 -128 就表示为 10000000。

并且我们可以推算出有符号char类型所能表示的范围是-128——127；无符号char类型所能表示的范围是0——255。同理也可以推算出其他类型的范围。

ps:char类型有无符号取决于编译器的类型 ，short,int,long均表示为有符号，前面加unsigned才表示为无符号

浮点数家族：

float
double

构造类型：

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

所谓数组类型，即去掉数组名后剩下的就是数组的类型。

例如：我们求一个变量的大小，可以通过它变量名求，也可以通过它的类型求大小。数组亦是如此。

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
	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。

void test(void)
{
	printf("hehe\n");
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

整形在内存中的存储

我们之前讲过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。
那接下来我们谈谈数据在所开辟内存中到底是如何存储的？

比如：

int a = 20;
int b = -10;

我们知道为 a 分配四个字节的空间。 那如何存储？
下来了解下面的概念：

原码、反码、补码

计算机中的有符号数有三种表示方法，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”，而数值位
三种表示方法各不相同。

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
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。

正数的原、反、补码都相同。
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

例如：

int main()
{
	int a = -1;
	//10000000000000000000000000000001--原码
	//11111111111111111111111111111110--反码(原码符号位不变，其他位按位取反)
	//11111111111111111111111111111111--补码(补码+1)
	int b = 10;//正整数原反补相同
	//00000000000000000000000000001010--原码
	//00000000000000000000000000001010--反码
	//00000000000000000000000000001010--补码
	return 0;
}

我们看看在内存中的存储：

内存中是以十六进制的形式储存的，那10应该表示为 00 00 00 0a，为什么这里会倒过来呢？？

大小端介绍

什么大端小端：

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。

为什么有大端和小端：

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2015年系统工程师笔试题：

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）

//代码1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
    int i = 1;
    //char*p = (char*)&i;
    return (*(char*)&i);//先将i的地址取出强制类型转换为char*
                        //解引用后只会访问一个字节,且为最低位的那个字节
                        //如果是小端存储(01 00 00 00)则解引用后得到的是1
                        //如果是大端存储(00 00 00 01)则解引用后得到的是0
}
int main()
{
    int ret = check_sys();
    if (ret == 1)
    {
        printf("小端\n");
    }
    else
    {
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}
//代码2
int check_sys()//这里我们后面讲到联合时再仔细讲解
{
    union
    {
        int i;
        char c;
    }un;
    un.i = 1;
    return un.c;
}

练习

1.
//输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a= -1;
    signed char b=-1;
    unsigned char c=-1;
    //00000000000000000000000011111111
    printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);
    return 0;
}

a和b毫无疑问是-1，虽然会进行整形提升，但所有位都是1并不会影响最后的结果。

c因为是一个无符号数，而这里%d是以有符号数da印，需要整型提升，所以应该是255。

下面程序输出什么？

2.
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    //-128的二进制位
    //10000000000000000000000010000000
    //11111111111111111111111101111111
    //11111111111111111111111110000000
    // a中存的二进制位
    //100000000
    printf("%u\n",a);//以无符号整形打印，需进行整形提升,左边补1
                     //11111111111111111111111110000000  4294967168
    return 0;
}

3.
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = 128;
    //char类型的范围是-128到127，128按照二进制位转换其实就是-128，所以和上面相同
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}

4.
int i= -20;
unsigned int j = 10;
//-20
//10000000000000000000000000010100  原码
//11111111111111111111111111101011  反码
//11111111111111111111111111101100  补码
//10
//00000000000000000000000000001010  原反补
//i+j
//11111111111111111111111111110110  补码
//11111111111111111111111111110101  反码
//10000000000000000000000000001010  原码  -10
printf("%d\n", i+j);
//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数

5.
unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)//i为无符号数恒大于0，条件恒成立，死循环
{
    printf("%u\n",i);
}

6.
int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
    {
        a[i] = -1-i;//a[0]=-1，且数组中数据类型为char，范围是-128到127
    }
    printf("%d",strlen(a));//strlen遇到'\0'(0)就停止计数，而这里数组的第256个元素a[255]=0
    return 0;              //所以这里输出255
}

7.
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    for(i = 0;i<=255;i++)//i为无符号数且为char类型，i<=255恒成立，死循环
    {
        printf("hello world\n");
    }
    return 0;
}

浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159 1E10 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。

浮点数存储的例子：

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;
} 

输出的结果是什么呢？

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：

• (-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。

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

注意：有些数字可能不能精确表示，例如0.3

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。

例如：

int main()
{
	float f = 5.5f;
	//101.1
	//科学计数法：(-1)^0*1.011*2^2
	//S=0
	//M=1.011
	//E=2  +127存储
	//二进制表示：0 10000001 01100000000000000000000
	//十六进制：  40 B0 00 00
	return 0;
}

其中我们可以看出浮点数在内存中的存储，也是有大小端的。

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

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）；

最后来解释一下前面的题：

int main()
{
    int n = 9;
    //000000000000000000000000000001001
    float* pFloat = (float*)&n;
    //将整形9的二进制位转化为浮点型，S=0，E为全0，所以可以表示近似为0
    printf("n的值为：%d\n", n);
    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
    *pFloat = 9.0;
    //1001.0
    //S=0,E=130(3+127),M=1001
    //9.0在内存中的二进制:01000001000100000000000000000000
    printf("num的值为：%d\n", n);//这里打印的n是以9.0在内存中的二进制位以整形打印，所以结果不是9.0
    printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
    return 0;
}

总结

本篇文章就到这里了，希望能给你带来帮助，也希望您能够多多关注猪先飞的更多内容！