【C语言】数据在内存中的存储

1. 整数在内存中的存储

我们整数的2进制表⽰⽅法有三种，即 原码、反码和补码。

有符号的整数，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”，最⾼位的⼀位是被当做符号位，剩余的都是数值位。

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得到的就是原码。

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。

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。

 2. ⼤⼩端字节序和字节序判断

当我们了解了整数在内存中存储后，我们调试看⼀个细节：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 0x11223344;

 return 0;
}

2.1 什么是⼤⼩端？

其实超过⼀个字节的数据在内存中存储的时候，就有存储顺序的问题，按照不同的存储顺序，我们分 为⼤端字节序存储和⼩端字节序存储，下⾯是具体的概念：

⼤端（存储）模式：

是指数据的低位字节内容保存在内存的⾼地址处，⽽数据的⾼位字节内容，保存在内存的低地址处。

⼩端（存储）模式：

是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，⽽数据的⾼位字节内容，保存在内存的⾼地址处。

VS上采用的是小段存储

上述概念需要记住，⽅便分辨⼤⼩端。

2.2 为什么有⼤⼩端?

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。 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。

2.3 练习

2.3.1 练习1 

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。

//代码1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
 int i = 1;
 return (*(char *)&i);
}
int main()
{
 int ret = check_sys();
 if(ret == 1)
 {
 printf("⼩端\n");
 }
 else
 {
 printf("⼤端\n");
 }
 return 0;
}

运行结果： 

//代码2
int check_sys()
{
 union
 {
 int i;
 char c;
 }un;
 un.i = 1;
 return un.c;
}

2.3.2 练习2 

#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;
}

首先a=-1,然后-1的补码为全1，把它截断取最低8位a就为11111111，再把它以%d形式打印，%d为有符号的int整型，所以我们要整型提升到32位，a的类型为char在VS中char为有符号的char所以用符号位来提升，到了32位后，此时最高位是1，所以a为负数，存放的是补码我们要转换为原码，补码取反+1得到的就是原码了，最终打印为-1

b的类型也是有符号的char所以和a的结果一样为-1

对于无符号的char类型，所有位都表示数值部分，没有符号位。因此，所有位都为1时，它被解释为该类型能够表示的最大值。在8位char类型中，这个值通常是255。因此，c的值为255。 

补充：

1.signed char类型：这是一个有符号的 8 位整数类型，可以表示的范围是 -128到127。

unsigned char类型：这是一个无符号的 8 位整数类型，可以表示的范围是0到255。

2.3.3 练习3

#include <stdio.h>
int main()
{
 char a = -128;
//10000000000000000000000010000000-128
//11111111111111111111111101111111
//11111111111111111111111110000000
//10000000 a
//11111111111111111111111110000000 整型提升
 printf("%u\n",a);
 return 0;
}

%u的形式打印，是认为a中存放的是无符号数

a是char类型，首先要整型提升,char是有符号的char补符号位。

输出：4294967168

2.3.4 练习4

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

strlen统计的是'\0'之前的数字'\0'的ASCII为0，a的第一个值为-1第二个-2第三个-3，以此类推，-4 -5-6-7……，到-128最小值，如果继续减1会是多少，char范围不是-128~127吗？我们可以画个图来看一下 

根据图可知，如果是有符号char类型从0开始不断加1，到127，再加1就是-128，继续加会到-1最后又变回0，是一个周期，那从-1一直减一呢，会发现 从负1一直减到-128再减会变成127，继续减到0，再减又回到-1，所以这是一个周期，是一个轮回。

第一次出现0的地方就是128+127等于255，所以结果为255、

3. 浮点数在内存中的存储

常⻅的浮点数：3.14159、1E10等，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 练习

练习：

#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;
}

输出什么？

3.2 浮点数的存储

上⾯的代码中， 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：

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 2E 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 。

小数点后面的二进制怎么表示呢？

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。

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

 3.2.1 浮点数存的过程

 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。

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。

3.2.2 浮点数取的过程

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 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(中间值)=126，表⽰为01111110，⽽尾数1.0去掉整数部分为0，补⻬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。

0 00000000 00100000000000000000000

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）；

0 11111111 00010000000000000000000

关于浮点数的表⽰规则，就说到这⾥。

3.3 题⽬解析

下⾯，让我们回到⼀开始的练习

先看第1环节，为什么 9 还原成浮点数，就成了 0.000000 ？ 9以整型的形式存储在内存中，得到如下⼆进制序列：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

⾸先，将 9 的⼆进制序列按照浮点数的形式拆分，得到第⼀位符号位s=0，后⾯8位的指数 E=00000000

最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 0000 1001。

由于指数E全为0，所以符合E为全0的情况。

因此，浮点数V就写成： V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)

显然，V是⼀个很⼩的接近于0的正数，所以⽤⼗进制⼩数表⽰就是0.000000

再看第2环节，浮点数9.0，为什么整数打印是 1091567616

⾸先，浮点数9.0 等于⼆进制的1001.0，即换算成科学计数法是：1.001×2^3

所以： 9.0  =  (−1)  ^0 ∗  (1.001)  ∗  2^3

那么，第⼀位的符号位S=0，有效数字M等于001后⾯再加20个0，凑满23位，指数E等于3+127=130， 即10000010

所以，写成⼆进制形式，应该是S+E+M，即

0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000

这个32位的⼆进制数，被当做整数来解析的时候，就是整数在内存中的补码，原码正是 1091567616 。

以上内容是我对于C语言数据在内存中的存储的一些理解和分析，希望能对大家有所帮助。由于个人能力和知识有限，可能存在表述不准确或理解不深刻的地方，还请各位看客不吝指正。