【C语言进阶】深度解析数据在内存中的存储
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文章目录
1. 数据类型详细介绍:
1.1 相关知识回顾:
再继续讲解新的知识之前,我们先来简单的回顾一下我们在前面学习过的关于数据类型的知识。在之前初阶C语言的学习中,我们已经学习了数据的基本数据类型:
char //字符数据类型
1
short //短整型2
int //整型4
long //长整型4
long long //更长的整型8
float //单精度浮点数4
double //双精度浮点数8
在我们的C语言中,有字符串类型吗?
答案是:没有
字符串是一种非常重要的数据类型,但是C语言不存在显式的字符串类型。C语言中的字符串都以字符串常量的形式出现或存储在字符数组中。同时,C 语言提供了一系列库函数来对操作字符串,这些库函数都包含在头文件 string.h
中。C 语言虽然没有字符串类型,但是 C 语言是存在字符串这个概念的,也就是字符串常量
:以 NULL 字节结尾的 0 个或多个字符组成的序列。
并且因为 C 语言中没有字符串类型,所以字符串是存放在字符型数组中,将字符串作为字符数组来进行处理的。为了测定字符串的实际长度,C语言规定了一个“ 字符串结束标志 ”,即以转义字符' \0 '作为其结束标志
。
所以我们知道了存在着众多数据类型的意义:
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.决定了如何看待内存空间的视角。
2.类型的基本归类:
我们目前接触过的所有的数据类型可以简单的分为五类:整形、浮点型、构造类型、指针类型与空类型。
2.1整型家族:
字符型 char
unsigned char
signed char
短整型 short
unsigned short [int]
signed short [int]
整形 int
unsigned int
signed int
长整型 long
unsigned long [int]
signed long [int]
其中,将 char 类型归入整型家族是因为字符在内存中进行存储时,存储的是其对应的整型 ASCII 码值,故将其归入整型家族。
并且在类型前的 unsigned 表示无符号整形而 signed 表示有符号整型。它们的区别就在于数据在内存中存储时,数据对应的补码的第一位是否为符号位。当为 signed 时表示有符号整形,即通过将最前面的一位作为符号位,0表示正数1表示负数,如此一来就可以有区分的表示表示正数与负数,并且前面的 signed 可以省略且通常会被省略。而当为 unsigned 时则表示无符号整型,此时则没有符号位,故无法区分表示正数与负数,且 unsigned 不可省略。
2.2浮点型家族:
单精度浮点型 float
双精度浮点型 double
长双精度浮点型 long double
浮点型数据没有符号位,即不能区分表示正数与负数
2.3构造类型:
数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union
2.4指针类型:
整型指针 int pi;
字符型指针 char pc;
浮点型指针 float pf;
无返回类型指针 void pv
2.5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
。
3.整形在内存中的存储:
一个变量在创建时是需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。数据在内存中进行存储时,存储的是其二进制表示所对应的补码。
int main()
{
int a = 20;
int b = -10;
return 0;
}
3.1 数据的原、反、补码:
计算机中的整数有三种二进制表示方法,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”,而正数的原、反、补码都相同
。
而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就可以得到原码。
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:将求得的反码+1,就得到了负整数的补码。
对于整形来说:数据存放在内存中,其实存放的是其补码。
这是因为 1. 使用补码可以将符号位和数值域统一处理 2. 加法和减法也可以统一处理(CPU只有加法器)3. 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。
&a 内:
理论值:00 00 00 14
实际值:14 00 00 00
&b 内:
理论值:FF FF FF F6
实际值:F6 FF FF FF
变量地址内存放的十六进制数分别为十进制的20与-10所对应的补码。
但是这两个数据在内存中的存储顺序不太一致
这是因为在数据进行存储时,存在着大小端
的区别。
3.2 大小端:
大小端(Endian)是指数据存储或者传输时的字节序,大小端分为大端和小端。
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。
为什么在存储时会需要字节序呢?这是因为在计算机系统中,我们是以字节为单位进行存储的,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类型之外,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进行安排的问题。因此就产生了大端存储模式和小端存储模式之分。
如何判断计算机采用的是大端存储模式还是小端存储模式呢?
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
int check_sys()
{
int i = 1;
return (*(char*)&i);
}
int main()
{
int ret = check_sys();
//接收返回值用于后面进行判断
if (ret == 1)
{
printf("小端模式\n");
}
else
{
printf("大端模式\n");
}
return 0;
}
创建一个4个字节的整形变量i并将其赋值为1,此时该变量便已经在内存中进行了存储,使用一个1个字节字符型指针变量去获取整型变量i的地址处存储的第一个字节的内容并进行判断。这是因为由于使用不同的存储模式,存储在第一个字节的内容将会不同,小端存储模式将会将每个字节进行逆序存储,而大端模式将会进行顺序存储,因此,若逆序存储(1000)即第一个字节的内容为1时则为小端存储模式,若为顺序存储(0001)即第一个字节的内容为0时则为大端存储模式
4.浮点型在内存中的存储:
我们常见的浮点数有很多,比如3.14159,再比如1E10等等。上面我们也说过浮点数点数家族中主要包含了float、double、long double三种数据类型。而在这里我们要知道的是,关于浮点数的表示范围,需要在头文件 float.h
中定义。
4.1 浮点数存储示例:
int main()
{
int a = 9;
//定义整型变量a
float* pa = (float*)&a;
//定义浮点型指针*pa,并使其指向整型变量a
printf("整型变量 a 的值为:%d\n", a);
printf("*pa指向地址内的值为:%f\n", *pa);
*pa = 9.0;
//将浮点型指针*pa指向地址内的数据变更为浮点型数据9.0
printf("整型变量 a 的值为:%d\n", a);
printf("*pa指向地址内的值为:%f\n", *pa);
return 0;
}
整型变量 a 的值为:9
pa指向地址内的值为:0.000000
整型变量 a 的值为:1091567616
*pa指向地址内的值为:9.000000
为什么会存在这样的结果呢?是因为整型和浮点型数据的存储规则不同。
4.2 浮点数存储规则:
4.2.1标准 IEEE 754
根据国际电气和电子工程协会标准 IEEE 754,任意一个二进制浮点数都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
For example:
1.十进制的5.0,写成二进制是 101.0 ,相当于 1.01×2^2 。那么,按照上面的格式,我们就可以得出:S=0,M=1.01,E=2。
2.十进制的-5.0,写成二进制是 -101.0 ,相当于 -1.01×2^2 。那么,同样按照上面的格式,可以得出:S=1,M=1.01,E=2。
4.2.2国际标准 IEEE 754 中规定:
对于32位的浮点数(单精度浮点数),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。而对于64位的浮点数(双精度浮点数),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:
32位浮点数(单精度)
S(1 bit) E(8 bit) M(23 bit)
64位浮点数(双精度)
S(1 bit) E(11 bit) M(52 bit)
4.2.3 IEEE 754中关于有效数字M的规定:
在上面我们说过,有效数字M的取值范围是( 2 , 1 ],即大于等于1且小于2,也就是说有效数字可以写作 1.xxxxxx 的形式,其中 xxxxxx 为小数部分。
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(单精度浮点数)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。
4.2.4 IEEE 754中关于指数E的规定:
相对于有效数字M,指数E的相关规定就略显复杂。
首先,E为一个无符号整数(unsigned int) 这意味着如果E为8位,则取值范围为0~255
; 如果E为11位,则取值范围为0~2047
。但是,我们都知道,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(单精度浮点数)时,必须保存成10+127=137,即 1000 1001。
接着,指数E在从内存中取出时,还可以再分为三种情况:
①.E全为0:
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。
②.E全为1:
如果有效数字M全为0,表示 ±∞(正负取决于符号位s)。
③.E非全0/1:
浮点数就采用这样的规则表示: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 0000 0000 0000 0000 0000 000,则其二进制表示形式为:0 01111110 00000000000000000000000
4.2.5 示例分析:
现在我们再重新回到我们刚刚提出的问题上来:为什么 0x00000009 还原成浮点数,就成了 0.000000 ?
首先,我们按照上面的国际标准规定的格式将其进行拆分可以得到:
S = 0
E = 00000000
M = 000 0000 0000 0000 0000 1001
由于指数E全为0,所以符合上面我们说的的第①种情况。因此,该浮点数就应当写成:
(-1)^0 × 0.00000000000000000001001 ×2^(-126)=1.001× 2^(-146)
而显然,该浮点数此时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。
接着,浮点数9.0等于二进制的1001.0,即1.001×2^3,同样将其拆分可以得到:
S = 0
E = 10000010 //127+3=130
M = 001 0000 0000 0000 0000 0000
则将其写成二进制形式即为:
0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000
而将这个32位的二进制数还原为十进制数后便正是1091567616。
4.总结:
本文我们更加深层次的,从内存的角度深度剖析了数据在内存中的存储情况,这一部分的知识更加底层,因而更加复杂,希望我的文章和讲解能对大家的学习提供一些帮助。
当然,本文仍有许多不足之处,欢迎各位认真读完文章的小伙伴们私信交流、批评指正!我们下期见~
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