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深入浅出C语言——数据在内存中的存储

文章目录

  • 一、数据类型详细介绍
    • 1. C语言中的内置类型
    • 2. 类型的基本归类:
  • 二. 整形在内存中的存储
    • 1. 原码、反码、补码
    • 2. 大小端
  • 三.浮点数存储规则


一、数据类型详细介绍

1. C语言中的内置类型

   C语言的内置类型有char、short、int、long、long long、float、double,内置类型所占存储空间的大小如下所示:

char 		//字符数据类型 	1
short 		//短整型     	2
int 		//整形        	4
long 		//长整型    		4/8
long long 	//更长的整形  	8
float 		//单精度浮点数    4
double 		//双精度浮点数   	8

C语言中类型的意义

  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。

2. 类型的基本归类:

整形家族:

charunsigned charsigned char

  属于整形家族, 因为char虽然是字符类型,但是字符类型存储的时候,存储的是字符的ASCII码值,ASCII值是整数。另外,当在编译器中输入char c1;时,c1到底是有符号还是无符号的是不确定的,是取决于编译器实现的,一般情况下char相当于singed char。有符号字符类型取值范围是-128 ~ 127,无符号字符类型取值范围是0~255。

shortunsigned shortsigned short

  属于整数家族,short等价于signed short,取值范围是 -32768~32767,unsigned short是无符号的short,取值范围是0 ~ 65535。

intunsigned intsigned int

  属于整数家族,int是有符号的int等价于singed int。

longunsigned longsigned long

  属于整数家族,long是有符号的long等价于signed long。


数据的最高位

  有正负的的数据可以放在有符号的变量中,只有正数的数据可以放在无符号的变量中。如果是有符号的数据,最高位表示的是符号位。最高位是0,表示正数;最高位是1,表示负数,如果对于无符号的数据来说,最高位也是数据位。


浮点数家族:

floatdoublelong double

构造类型:

结构体类型枚举类型联合类型
structenumunion

指针类型

int* pichar* pcfloat* pfvoid* 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。


二. 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。


1. 原码、反码、补码

   计算机中的整数有三种表示方法,即原码、反码和补码。正数的原、反、补码都相同;负数的原码、反码、补码需要计算,负数的原码直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以,反码则将原码的符号位不变,其他位依次按位取反就可以得到了,补码是将反码+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。

int main()
{int a = 10;//整型值//原码:00000000000000000000000000001010//反码:00000000000000000000000000001010//补码:00000000000000000000000000001010int b = -10;//整型值//原码:10000000000000000000000000001010//反码:11111111111111111111111111110101//补码:11111111111111111111111111110110//      1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110//      F    F    F     F   F     F    F   6//      0x ff ff ff f6 存储到内存中return 0;
}

为什么数据在内存中放的是补码

   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

  大小端即大小端字节序存储。大端字节存序储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;小端字节序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。


案例

int a = 0X11223344;在内存中存储

在这里插入图片描述


为什么会有大小端模式之分?

  因为在计算机系统中是以字节为单位的,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8 bit的char之外,还有16 bit的short型,32 bit的long型。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。常用的 X86 结构是小端模式,而 KEIL C51 则为大端模式,很多的ARM和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。


判断当前机器的字节序

int check_sys()
{int a = 1;return *(char*)&a;
}
int main()
{int ret = check_sys();if (ret == 1)printf("小端\n");elseprintf("大端\n");return 0;
}

三.浮点数存储规则

   整数和浮点数的存储方式是有差异的,浮点数家族包括: float、double、long double 类型。根据国际IEEE754(标准电气和电子工程协会) ,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

   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。


IEEE 754标准

  IEEE754标准规定,对于32位的浮点数(float类型),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
  IEEE754标准规定,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。
在这里插入图片描述


保存有效数字M

  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。


保存指数E

  至于指数E,情况就比较复杂。首先,E为一个无符(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,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。


取出指数E

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

  当E不全为0或不全为1,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

2.E全为0

  当E全为0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

  当E全为1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


浮点数的比较

  浮点数进行比较的时候不能直接用==去比较,因为浮点数在内存中储存有误差,应该比较浮点数直接的差值是否在允许的精度范围之内。比如一个完整的比较相等的逻辑可以为:

const double eps = 1e-8;
#define Equ(a, b) ((fabs((a)-(b))<(eps))

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