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数据在内存中的储存·大小端（文字+画图详解）（c语言·超详细入门必看）

news 文章来源：https://blog.csdn.net/m0_74475605/article/details/132370607 2024/11/15 4:06:27

前言：Hello，大家好，我是心跳sy😘，本节我们介绍c语言的两种基本的内置数据类型：数值类型和字符类型在内存中的储存方法，并对大小端进行详细介绍（附两种大小端判断方法），文章每个例题和知识点都会有详细的解释，友友们放心食用，我们一起来看看吧~！！

1、⭐️数据类型介绍⭐️

1.1、💫整型家族

👉我们之前已经了解过 int、short、long、longlong、float、double、char这几种基本的c语言内置数据类型。其中 int、short、long、char类型是整型家族，其中char虽为字符型类型，但是它的ASCII码在内存中保存为整型，所以也可以归为整型家族（这里我们为了方便介绍整型和浮点型在内存中的储存规则），也把它纳入整型之中。

👉整型家族里面的每个数据类型也都拥有有符号（signed）和无符号（unsigned）两种类型情况，其中char类型的有无符号与编译器有关。数据在内存的储存与有无符号息息相关。

1.2、💫浮点型家族

👉浮点型家族包括 float和 double类型，有趣的是这两个浮点型数据类型都没有无符号的情况，这是为什么呢❓我们知道，整型是采用二进制储存在内存中的，而浮点数却是按照整数部分、小数部分、指数部分存放的，运算也是分开来运算的，所以unsigned无法作用于float与double这种浮点型。

1.3、💫构造类型

👉由表中我们可以看到，构造类型由数组类型、结构体类型、共用体类型（联合类型）以及枚举类型组成，构造类型一般可以给予用户非常大的自定义范围，可以同时对一个对象定义不同的变量，比如可以做到同时定义一个人的性别、年龄等等。（对四个构造类型的详细介绍我们后面都会单独写一篇文章，会统一收录到c语言专栏中）

1.4、💫指针类型

👉指针类型包括整型指针、浮点型指针、字符指针、数组指针、函数指针、空指针（void*）等等。指针类型的作用是存放变量的地址，可以通过指针来改动变量。指针作为一个变量是有大小的，其大小在32位平台是4个字节，64位平台上是8个字节，大小与指针的类型无关。（我们以后会对指针一章详细介绍）

1.5、💫空类型

👉空类型是指没有定义类型的数据类型，也称为void类型，在C语言中，空类型可以省略函数的参数列表，也可以修饰函数表示无返回值，通常用作函数指针，表示指向没有返回值的函数的指针。空类型和其他类型之间的转换通常需要通过类型转换操作符进行。

记住以下3个规则：

⭕️如果函数无参数，应声明其参数为void类型。如：

int function(void)
{return 1;
}

👉若此时在调用function(2)，在c语言编译器中不会报错，但是在c++编译器中将会不合法报错，所以无论在哪种编译器中，一定养成良好习惯，若函数不接受任何参数，一定要指明参数为void。

⭕️如果函数没有返回值，那么一定要声明为void类型。

⭕️如果函数的参数可以是任意类型的指针，那么应该声明其参数为void*，比如内存操作函数memset的函数原型为：

void*memset(void*buffer,int c,size_t num);

2、⭐️插叙：原码、反码、补码的介绍⭐️

👉我们知道，计算机底层只认识0和1，所以所有整型和浮点型数据到了底层都会通过转换成二进制形式（0和1的形式）来储存。计算机整数的表示方式有3种，即原码、反码、补码。3种表示方式均有符号位和数值位两部分，而所有整型数据在内存中都会以补码的形式储存。我们要了解整型的内存结构就需要先知道原码、反码、补码的知识。

⚠️先来看看3个码的基本概念：

⭕️原码是指一个数的二进制表示，第一位是符号位，正数为0，负数为1；

比如32位下-5的二进制，其原码为：1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101

⭕️反码是指将原码中除符号位以外每一位取反后得到的二进制数；

其反码为：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1010

⭕️补码是指将反码加1后得到的二进制数。

其补码为：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011

👉在整型中我们可以分成两大类记忆理解：

正整数：原码、反码、补码相同。

比如：5的原码、反码、补码都为：

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101

负整数：原码、反码、补码需进行计算得到，计算方式见概念。

🌈计算方式总结（针对负整数）：

⭕️从原码——>补码：原码符号位不变，其他位按位取反，再加1；

⭕️从补码——>原码：补码符号位不变，其他位按位取反，再加1；（也可以先减1，再符号位不变，其他位按位取反）

3、⭐️整型数据在内存中的存储⭐️

👉我们前面提到，整型数据都是以补码的形式储存在内存中的。其原因在于，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，比如原码到补码需取反加一，补码到原码也只需取反加一即可。

⭕️我们来看一个简单的整型数据内存例子：

int main()
{int i = 5;int j = -10;return 0;
}

可以看到i，j变量在x86环境下的内存显示如下：

👉从此例子中可以证明整型数据在内存中都是以补码的形式储存的，正整数5的原、反、补相同，负整数20以补码的十六进制形式储存。

❓但是我们又会发现一个问题，它们储存的顺序有些奇怪，我们知道，变量 i被分配4字节的内存，其中5只占一个字节，其他3个字节都为0，而数据5被放置在第一个字节的位置，这放置的顺序是按照什么规则来的吗❓这里就要介绍大小端的知识点了~

3.1、💫大小端介绍（附两种证明方法）

❓为什么会有大小端之分呢

👉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。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储存模式。

👉先看概念：

大端模式：指数据的高字节存储在内存的低地址处，而数据的低字节储存在内存的高地址中；

小端模式：指数据的高字节存储在内存的高地址处，而数据的低字节存储在内存的低地址中。

⭕️如果现在还不是很明白，没关系，我们再来针对实例解释：

👉我们就看看5的存储模式：

5的补码为（记住正整数原反补相同）：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101

化为16进制表示为：0x00 00 00 05（其中05是低字节，往前依次为高字节）

🌈（一）、大端模式情况：可以看到低字节05存储在高地址处，即为大端模式。

🌈（二）、小端模式情况：可以看到低字节存储在低地址处，即为小端模式。

❓那么怎么才能知道自己的编译器用的是哪种模式呢，我们这里介绍两种方法：

🌈方法一：通过union关键字来实现

👉我们先介绍一下union关键字的用法：union的用法与struct非常相似，只不过union维护足够空间来放置多个数据成员中的一种，而不是为每个数据成员都分配空间。在union中所有的数据成员共用一个空间，同一时间内只能储存其中一个数据成员，所有的数据成员都具有相同的起始地址。

👉一个union只配置一个足够大的空间来容纳最大长度的数据成员，union关键字在c++中主要用来压缩空间，如果一些数据不可能在同一时间被用到，则可以使用。

⭕️我们可以利用union类型“所有数据成员的起始地址一致”为特点来证明大小端：

int Check_ram()
{union check{int i;char ch;}c;c.i = 1;return (c.ch == 1);
}
int main()
{if (Check_ram() == 0){printf("是大端模式\n");}elseprintf("是小端模式\n");return 0;
}

代码分析：

👉我们设置一个函数来判断大小端，函数中定义两个数据成员变量，一个是int类型变量i，一个是char类型变量ch，我们给i赋值为1，这时内存分配一个可以容纳最大长度数据成员的内存（此时分配4字节，最大数据类型是int），函数返回char类型变量是否为一的值，若为1，则返回1，若不为1，则返回0。主函数中接收返回值，如果返回值为0则是大端模式（因为成员起始地址一样，int型为4字节，char类型变量只有一字节，所以利用1所在的1字节位置在哪来判断大小端），若返回值等于1则是小端模式。

👉可以看到输出结果为小端模式，证明函数返回值为1，因为i变量的1肯定为低字节（见上文分析），并且int类型的内存分配是由低地址到高地址的，union中数据成员起始地址又一样，所以如果ch中的值也为1，那么一定是小端模式。

🌈方法二：普通方法强制类型转换实现

int Check_ram()
{int i = 1;return (*(char*)&i);
}
int main()
{if (Check_ram()== 1){printf("是小端模式\n");}else{printf("是大端模式\n");}return 0;
}

👉输出结果与上面一样，都为小端模式，我们同样设计函数实现，只需定义一个int型变量，只不过函数的返回值是将i的地址强制类型转换为char*后解引用的值，返回的类型就改为char了，与上面方法是同种道理，不明白的友友可以参照上述解释。

3.2、💫signed与unsigned关键字对整型取值的影响

👉我们知道，计算机底层只认识0和1，任何数据到了底层都必须转换为0和1，那么负数怎么储存呢？我们前面了解了计算机整数的3种表示方法原码、反码、补码，均有符号位和数值位两部分组成，数据类型的最高位是用来存符号的，约定若这个数为整数，则最高位为0，否则为1，其值为除最高位以外剩余位的值。

👉这样的话,一个32位的 signed int类型整数,其值表示的范围为:-2^31～ (2^31-1);8位的 char类型数,其值表示的范围为:-2^7～(2^7-1)。一个 32 位的 unsigned int类型整数,其值表示的范围为:0～（2^32-1);8位的 unsigned char 类型数,其值表示的范围为:0～(2^8-1)。需要说明的是,signed 关键字也很宽宏大量,你也可以完全当它不存在,缺省情况下（默认条件下）,编译器默认数据为signed类型（char类型数据除外）。

🌈看了上面的概念，相信你已经有了自己的理解，我们通过下面一道看似简单的题目康康你真的懂了吗😜

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

输出结果如下：

这个结果和你想的是否一样呢？如果不一样没关系，我们一起来看看分析过程：

👉由上面的分析过程，我们知道a[0]-a[254]里面对应的值都不是0，而到a[255]时值为0，strlen函数时用来计算字符串长度的，遇到‘\0’，则认为字符串结束读取，所以到现在我们就能明白了为什么计算字符串长度是255了吧，这个问题的关键就是要明白signed char的取值范围为[-128~127]，而超出这个范围就会产生溢出必须截断，之后就会产生循环。

🌈重点：我们总结一个有符号char的范围规律，可以画图看到其范围可以形成一个圆，从0开始不断+1，直到新的循环。

⭕️看了一个signed char类型的例题，我们再来看一个unsigned char类型的例题，猜一下结果会是多少呢？

unsigned char i = 0;
int main()
{for (i = 0; i <= 255; i++){printf("hello world\n");}return 0;
}

🌈重点：输出结果是死循环输出hello world，我们用一张图来解释：

👉我们看到，unsigned char类型范围为[0~255]，他因为是无符号的，所以8位中的最高位符号位变为数值位，参与数的大小计算，从画图可以得到，当到255时为11111111，当到256时，发生内存溢出，最高位被截去，又会变成0，循环又一次开始，所以上述例子中，当i=256时，i变成0，继续循环，死循环hello world。

4、⭐️浮点型数据在内存中的储存⭐️

👉整数类型并不适用于所有应用，有些时候需要变量能存储带小数点的数，或者能存储极大数或极小数。而这类数可以用浮点格式（小数点是浮动的）进行储存，C语言提供了3种浮点格式。

浮点数家族包括：float（单精度浮点数）、double（双精度浮点数）、long double（扩展精度浮点数）类型

常见的浮点数：3.14159 1E10（1*10^10）

👉我们来看看浮点数在内存中的存储方法（大多数现代计算机遵循IEEE 754标准（即IEC 60559）规范）

👉IEEE 754标准提供了两种主要的浮点数格式：单精度（32位）和双精度（64位）。数值以科学计数法的形式存储，每一个数都由3部分组成：符号、指数和小数。指数部分的位数说明了数值的可能大小程度，而小数部分的位数说明了精度。

👉单精度格式中，指数长度为8位（E 指数位），而小数部分占了23位（有效数字M），因此单精度数可以表示的最大值约是3.40*10^38，其中精度是6个十进制数字。

🌈见下图：

👉双精度格式中，指数长度为11位（E指数位），而小数部分占了52位（有效数字M）

🌈见下图：

🌈任意一个二进制浮点数 V 可以表示为下面形式：

比如：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。

🌸⚠️对于M（有效数字）和E（指数位），IEEE有一些特别规定：

🔴对于M：

前面提到， 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。

🔴对于E：（情况比较复杂）

·首先，E为一个无符号整数。

由此，浮点数存储规则结束。

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