一、大端小端的介绍
1.1 什么是大小端
字节序:是以字节为单位,讨论存储顺序的
小端字节序存储:把一个数据的低位字节的内容,存放在低地址处,把一个数据的高位字节的内容,存放在高地址处。
大端字节序存储把一个数据的低位字节的内容,存放在高地址处,把一个数据的高位字节的内容,存放在低地址处。
1.2 为什么有大小端
为什么会有大小端模式之分呢?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(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。
如何用程序判断是大端还是小端字节序
//代码1
#include <stdio.h>
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;
}
//代码2
//int check_sys()
//{
// union
// {
// int i;
// char c;
// }un;
// un.i = 1;
// return un.c;
//}
1.3 有符号和无符号的区别
signed char的取值范围
对于有符号的char,在127后面+1就是-128了,在-1后面+1就是0了。
unsigned char的取值范围
对于无符号的char,在127后面+1就是128了,在255后面+1就是0了。
原码反码补码的转换
二、浮点型在内存中的存储
2.1 存储规则
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:
(-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。
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规定:
对于32位的浮点数,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。
对于64位的浮点数,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。
IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别规定
前面说过, 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。
至于指数E,情况就比较复杂。
首先,E为一个无符号整数(unsigned int)
这意味着,如果E为8位,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,我们知道,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位浮点数时,必须保存成10+127=137,即10001001。
然后,指数E从内存中取出还可以再分成三种情况:
①E不全为0或不全为1
这时,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2300000000000000000000000,则其二进制表示形式为:
0 01111110 00000000000000000000000
②E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。
③E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);
2.2 例子
int main()
{
int n = 9;
//0 00000000 000000000000000001001
//S E M
//0 -126 0.0000000000000000001001
//(-1)^0*0.0000000000000000001001*2^(-126)
//E在内存中是全0
float* pFloat = (float*)&n;
printf("n的值为:%d\n", n); //9
printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat); //0.000000
*pFloat = 9.0;
//1001.0
//1.001*2^3
//(-1)^0*1.001*2^3
//s=0 E=3 M=1.001
//0 10000010 00100000000000000000000
printf("num的值:%d\n", n); //1091567616
printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat); //9.000000
return 0;
}
解释
下面,让我们回到一开始的问题:为什么 0x00000009 还原成浮点数,就成了 0.000000 ?
首先,将 0x00000009 拆分,得到第一位符号位s=0,后面8位的指数 E=00000000 ,最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 00001001。
9 -> 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
由于指数E全为0,所以符合上一节的第二种情况。因此,浮点数V就写成:
V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
显然,V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。
再看例题的第二部分。
请问浮点数9.0,如何用二进制表示?还原成十进制又是多少?
首先,浮点数9.0等于二进制的1001.0,即1.001×2^3。
9.0 -> 1001.0 ->(-1)^01.0012^3 -> s=0, M=1.001,E=3+127=130
那么,第一位的符号位s=0,有效数字M等于001后面再加20个0,凑满23位,指数E等于3+127=130,即10000010。
所以,写成二进制形式,应该是s+E+M,即
0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000
这个32位的二进制数,还原成十进制,正是 1091567616 。
注:程序员计算器中,HEX表示十六进制,DEC表示十进制,OCT表示八进制,BIN表示二进制