【C语言】深度剖析数据在内存中的存储

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整形在内存中的存储

浮点数在内存中的存储

类型的基本归类

1.整形家族：char short int long

2.浮点数家族：float double

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

4.指针类型：各种指针（包括 void*）

5.空类型：void

整形在内存中的存储

注：有符号和无符号只是针对整形的，浮点数是没有有符号和无符号这种说法的。char也属于整形，因此也分有符号char和无符号char。

对于short来说，short和signed short是等价的，int和long亦然，但是对于char来讲，如果只写一个char，是不确定他是有符号char还是无符号char，C语言语法并没有明确规定这个事情。在VS环境下char其实是有符号char。

有符号char和无符号char有什么区别？表示范围分别是什么？

对于有符号char来讲，他的八位只有七位是符号位，最高位是一个符号位，对于无符号char来讲，他的八位全都是数值位。

假设这是一个有符号char类型，那么最高位就是符号位，00000000~01111111范围就是0~127，再+1就成了10000000，看起来是-0，但是前面已经有了0，+0和-0没啥区别，因此我们规定有符号char里面的10000000的值是-128，这是规定。在往下看就是1开头的了，这些都是负数，负数在内存中以补码的形式存放，我们通过计算原码发现1开头的二进制序列范围是-1~-128。

综上所述，有符号char的范围是-128~+127

0再-1，就是0+（-1）先整型提升，补码相加之后是32个1，再发生截断，发现存的还是-1。

-1再+1，同样是先整型提升，补码是32个1和31个0一个1的二进制序列，补码相加之后发生截断，补码全为0，存的数就变成了0

也就是说有符号char的范围其实是一个循环，从0开始一直加的话加到127，再+1就变成-128，然后再一直加就会加到-1，再+1就变成了0。如图所示（这个图非常重要）

也可以理解为从-1开始减，减到-128的时候再减1就成了+127，接着从127开始减，减到0之后，再减一就成了-1。

注：有符号char的-1再+1变成0是因为发生了截断，127+1变成了-128是因为规定10000000是-128。

再看无符号char的范围

八位全是数值位，直接计算得到范围就是0~255。

所以有符号char的范围是-128~+127，无符号char的范围是0~255。

也就是说char类型的变量如果当前是127，再+1就会变成-128

同理可以计算出有符号short范围是-32768~32767，无符号short范围是0~65535。

练习：

答案：a=-1，b=-1，c=255

a是有符号char还是无符号char并不确定，因此我们先讨论b和c在内存中的存储情况，b是有符号char，-1是一个整数，他在内存中以补码的形式存储，其二进制序列为32个1，现在我们要把他放到一个char类型的变量里面，会发生截断，因此最终在内存a存储的是8个1，在打印的时候是按照%d的形式打印，表示打印十进制有符号整数，而b是一个char类型的变量，要发生整形提升，补符号位1直到32位，发现打印的时候b的补码其实和int类型的-1的补码是相同的，因此b的打印结果是-1（注：虽然负数存储的时候存的是补码，但是打印的时候呈现的是原码）再来看c，同样是把整数-1放到char类型的变量里面，会发生截断，因此c里面存放的是八个1，在打印的时候要发生整形提升，又因为c是一个无符号char类型的变量，因此高位补0至32位，且原反补相同，最终结果是255。最终我们打印发现打印结果分别是-1，-1,255，这说明此时编译器认为a是一个带符号char类型的变量。

%u表示以整数的形式打印无符号数，-128是一个整数，原码是10000000000000000000000010000000，补码是11111111111111111111111110000000，放到char类型的变量a里面要发生截断，因此a里面放的是10000000，打印的时候发生整型提升补符号位1至32位，并认为这是一个无符号数的补码，又因为无符号数的原码和补码相同，因此最终打印结果是一个非常大的数字。

虽然这里a要存的是128，但是发生截断之后实际存在a里面的补码和上面的-128是一样的，因此打印结果也是一样的，是一个非常大的数字。

先来看一下循环，这个循环显然是在给数组a进行初始化，第一次把下标为0的元素初始化成-1，第二次把下标为1的元素初始化成-2，以此类推最后把下标为999的元素初试化成-1000，但问题在于a是一个char [1000]类型的数组，他里面只能放char类型的元素，假如编译器是默认char位有符号char，那么char的范围就是-128~+127，是放不下-128以后的数的，会发生截断，-128再-1之后就变成了127，也即下标为128的元素实际上存的是127，下标为129的元素实际上存的是126，以此类推直到某个下标元素为0。再-1就会从-1开始，重复上述过程。strlen计算的是从因此最终打印结果为128+127=255

注：本题实际上就是有符号char那个重要图的逆时针版本

大端字节序存储与小端字节序存储

1.字节序：以字节为单位，讨论存储顺序

2.大端字节序存储：高位在低地址处

小端字节序存储：高位在低地址处

什么是高位？比如1234中1就是高位，4就是低位。

3.只有字节数超过一个字节的类型才讨论存储顺序，char类型的变量一共就一个字节，当然就不存在存储顺序的问题。

4.为什么会有大端和小端之分？

一个内存单元是一个字节也就是八个比特位，但是C语言中还有超过8个bit的int等等类型，这就涉及到了存储顺序的问题。因此有了大端字节序存储和小端字节序存储，大端字节序就是高位在低地址处，小端字节序存储就是高位在高地址处。

5.用代码判断当前机器是大端存储还是小端存储

只需要找一个足够简单的数字比如1，取出他的地址，然后拿到第一个字节内容看看是0还是1即可，但是a是一个int类型的变量，对他取地址是一个int*类型的指针，对他解引用是直接拿到4个字节内容，要想拿到1个字节内容，我们应该先把int*类型的指针强制类型转换成char*类型的指针。

对于大端字节序存储，第一个字节的内容就是0，对于小端字节序存储，第一个字节的内容就是1。

代码还可以使用函数方式实现

因为是规定小端就返回1，大端就返回0，又因为我们用来判断大小端的数字1本来就是小端拿到的第一个字节就是1，大端是0，因此我们直接返回第一个字节的内容即可。

浮点数在内存中的存储

运行结果如图所示

先来介绍一个错误的想法：首先把9放到了n申请的这块内存空间里面，第一次打印肯定是9，没问题，第二次打印是通过*pFloat，他仍然是访问这块空间，拿到的是9，但是打印的时候以%f形式打印，默认是小数点后六位，因此结果是9.000000，然后代码中把n指向的这块空间的内容改成了9.0，再次以%d形式打印，还是9，然后又以%f形式打印这块空间里的内容，应该是9.000000。这与我们的运行结果大相径庭，原因是以浮点数的形式往外取数据，和以整形的形式往外取数据是不一样的。

这其实就是二进制的科学计数法。

例如5.5的二进制序列是101.1，写成二进制的科学计数法就是1.011*2^2

也就是S=0,M=1.011,E=2，因为只要确定了S,M,E这三个数，就确定了一个浮点数的值，因此规定浮点数在内存中存储的时候存的是S,M,E这三个数。

第一位都是存S，因为S不是零就是一，没什么好说的。

然后存的是E,这个标准规定这个E是一个无符号整数（unsigned int），因此他只能表示正数，而二进制的科学计数法中E是有可能出现负数的，例如0.5写成二进制形式是0.1，再写成科学计数法是1*2^（-1），此时的E就是负数，为了应对这种情况，我们就不是直接把-1存到内存里面了，而是把-1+127=126存在内存里。同理对于64位的浮点数（double）E在存储的时候是先+1023再存进去。这个127和1023都是规定的。

注：不管E是正数还是负数，存的时候都要+127（或者1023）

然后是M，因为M是一个大于等于1小于2的数，也就是1.xxxxxxx，第一位永远都是1，因此存的时候可以把存1的这位拿出来，存后面的有效数字，这样精度更高，然后再读取的时候再把1还原回来即可。

例如5.5在内存中的存储应该是

1 10000001 01100000000000000000000

小数部分的101是直接存进去的，没有存1.101的第一个1，不够23位的用0补齐。

注：关于E

当E在内存中存的二进制序列有零有一，由于这个数是原来的E+127得到的，因此直接-127就能得到原来的E

当E在内存中存的二进制序列全为0，那么原来的E就是-127，则存储的浮点数就是-1的S次方*M*2的-127次方，这个数非常的小，这时候我们还原M的时候不在把舍掉的1还原回来，而是还原成0.xxxxxxxx

当E在内存中存的二进制序列全为1，这个二进制序列是255，因此原来的E是128，也就是说存储的这个浮点数是，-1的S次方*M*2的128次方，这个数非常的大，直接会被解读为正无穷或者负无穷。

再来看到前面的代码

变量n向内存申请了一块四字节的空间放上了9，其二进制序列为00000000000000000000000000001001，然后以整数的形式打印出来当然是9，第二次打印是通过*pFloat这个浮点数类型指针的形式打印的，这个指针指向的仍然是n申请的这块空间，里面存放的也还是这个二进制序列，但是站在这个浮点数类型指针的角度来看，他认为这个序列是个浮点数，因此第一位就是S，紧接着8位是E，在接下来的23位是M，因此S是0，E是0，M的有效小数是00000000000000000001001，当E全为零的时候还原M的时候是还原成0.xxxxx，因此存储的这个浮点数是(-1)^0*0.00000000000000000001001*2的-127次方，然后以%f的形式打印默认是打印前六位小数，因此打印的全是0.

再来看后两次打印，在打印之前先把9.0存到了内存中，而且是通过解引用一个浮点数类型指针存放进去的，存放的时候就是按照浮点数类型的存储规则来存放的，9写成二进制数是1001.0也就是（-1）^0*1.001*2^3，因此S是0，M是1.001，E是3（实际上在内存里存130），在内存中存的是

0 100000010 00100000000000000000000，然后以%d的形式打印，认为这是一个带符号整数，符号位是0，原反补相同，打印出来是一个非常大的数字，以%f的形式打印，认为这是一个浮点数，默认打印前六位，结果就是9.000000。

注：要想打印结果正确，应该遵循以什么样的形式存储，就以什么样的形式拿出，不能以浮点数类型存储却以整形形式打印。