C语言之数据在内存中的存储4000字超详解

目录

一、整数在内存中的存储

1.存储形式

2.原码、反码和补码

二、大小端字节序和字节序判断

1.什么是大小端？

2.为什么有大小端?

3.判断大小端模式

三、浮点数在内存中的存储

1.奇怪的现象

2.浮点数内存存储

2.1指数E的特殊情况

3.回到例题

往期内容：

一、整数在内存中的存储

1.存储形式

整型数据在内存中存储的是二进制的补码形式,这是计算机中表示整数的标准方式

2.原码、反码和补码

整数的2进制表⽰⽅法有三种，即原码、反码和补码

有符号整数的三种表⽰⽅法均有符号位和数值位两部分，2进制序列中，最⾼位的1位是被当做符号 位，剩余的都是数值位。

符号位都是⽤0表⽰“正”，⽤1表⽰“负”

int 类型来说，占 4 个字节，32 个 bit 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。 补码得到原码也是可以使⽤：取反，+1的操作。

⽆符号整数的三种 2 进制表示相同（直接将其数值转换为二进制存储），没有符号位，每⼀位都是数值位。

举个栗子

对于正数，它的原码、反码和补码是完全相同的。所以，+25的二进制直接表示即可。

对于负数，转换则遵循特定的步骤（以 -25 为例）：

1. 原码：最高位（符号位）为1，表示负数。其余位是该数绝对值（25）的二进制表示。所以，-25 的原码是10000000 00000000 00000000 00011001。

2. 反码：保持符号位1不变，将原码的数值位（0000000 00000000 00000000 0011001）按位取反（0变1，1变0），因此，-25 的反码是11111111 11111111 11111111 11100110。

3. 补码：在反码的基础上，最低位加1。反码11111111 11111111 11111111 11100110加 1 后得到11111111 11111111 11111111 11100111。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是⼆进制的补码，那这是为什么呢？

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，计算1 - 1相当于计算1 + (-1)：

1的补码：00000000 00000000 00000000 00000001

-1的原码：10000000 00000000 00000000 00000001

反码：11111111 11111111 11111111 11111110

补码：11111111 11111111 11111111 11111111

两者补码相加：

结果是：1 00000000 00000000 00000000 00000000

最前面的进位溢出舍弃，最终得到0，结果正确。

二、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：

int main() { int a = 0x11223344; return 0; }

调试的时候，我们可以看到在a中的 0x11223344 这个数字是按照字节为单位，倒着存储的。这是为什么呢？

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。

2.为什么有大小端?

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。

3.判断大小端模式

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）- 百度笔试题

#include <stdio.h> 因为int a = 1 ;中的 a 储存的是0x 00 00 00 01 所以可以将 a 内存中第一个字节取出来，判断是 1 还是 0 是 1 就是小端模式，否则是大端模式 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; }

还有一种联合体的写法

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

三、浮点数在内存中的存储

常⻅的浮点数：3.14159、1E10（1E10的完整数学表达式是 1 × 10¹⁰）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。

1.奇怪的现象

大家可以猜猜代码的运行结果嘻嘻：

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("n的值为：%d\n", n); printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat); return 0; }

是不是很出乎意料，上⾯的代码中， n 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？

在这个过程中，n就相当于一块空间，可以以整数的视角来理解这4个字节，也可以以浮点数的视角来理解这4个字节，以整数的形式存放，然后以整数的形式拿出，以浮点数的形式存放，然后以浮点数的形式拿出，但是我以整数的形式存放，以浮点型的方式拿出，以浮点数的形式存放，以整型的方式拿出，结果就不对，由此说明，整数和浮点数在内存中的存放方式不同

2.浮点数内存存储

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

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，是一个大于等于1且小于2的二进制小数。例如，二进制下的1.011

E 表示2的幂次，决定小数点的位置

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。

IEEE 754标准主要定义了两种精度的浮点数格式，它们在内存中的位分配如下

具体规则如下：

符号位 (S)：直接存储，0代表正，1代表负

指数 (E)：E在存储时是一个无符号整数。为了能表示负指数，实际存储的是E + 偏移值,单精度的偏移值是127，双精度是1023

例如，单精度下真实指数E=2，存储时就是2+127=129，二进制为10000001

有效数字 (M)：由于M总是1.XXXXXX的形式，整数部分的1是固定的，因此存储时只保存小数部分XXXXXX，这样可以多出一位有效数字，提高精度,读取时再将这个1加上

我们以单精度浮点数存储17.625为例

转换二进制：整数部分17转二进制为10001；小数部分0.625转二进制为0.101（因为0.625 =0.5+0.125，即2^(-1) + 2^(-3)），所以17.625的二进制是10001.101

规范化：将二进制数小数点左移4位，变为1.0001101 × 2^4。得到S=0,M=1.0001101,E=4。

计算存储值：符号位 S：0，阶码 E：4+127=131，二进制为10000011，尾数 M：存储M的小数部分0001101，后面用0补足23位，得到00011010000000000000000

组合：最终32位序列为0 10000011 00011010000000000000000。通常我们表示为十六进制0x41 8D 00 00

这样的浮点数存储⽅式很巧妙，但是我们也要注意到有的浮点数是⽆法精确保存的。⽐如:1.2，我们可以在VS上调试看⼀下，我们发现会有些许误差

2.1指数E的特殊情况

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

3.回到例题

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("n的值为：%d\n", n); printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat); return 0; }

我用excel表格做了个图解

1，4相信聪明的你肯定知道，我们重点讲一下2，3

第2题，取出n的地址再强制类型转换给指针pFloat,再以浮点数形式打印

第3题，取出 n 的地址再强制类型转换给指针 pFloat ，再通过解引用把 n 的值改为 9.0 (浮点数），最后以整型形式打印

往期内容：

C语言内存函数使用和模拟（memcpy,memmove,memset,memcmp）4000字超详解

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