【c语言】数据在内存中的存储

前言

        最近在复习C语言，发现深入剖析数据在内存中的存储这个问题，可以帮助我理解很多原来学过的计算机组成原理的知识（eg.原码反码补码~大小端存储 ~之类的知识hhh）有一种打通任督二脉的感觉哈哈哈。第一遍理解个过程中，觉得知识过于杂乱，所以前来做个小总结！

        说起数据类型我们大致可以归类为：整型、浮点型、构造类型、指针类型、空类型。本文主要探讨整形、浮点型在内存中的存储形式。前提我们要知道：计算机能够处理的是二进制数据，整型和浮点型数据在内存中也都是以二进制进行存储的。

一、整型在内存中的存储

一句话：对于整型，内存中存放的是补码。

什么是补码？

这里我们需要介绍一下，计算机中的整型的二进制表示形式有3种：原码、反码、补码。

1.1原码、反码、补码

正的整数：原码、反码、补码相同

负的整数：原码、反码、补码需要计算。

计算规则

原码 ：将十进制的正数或负数转换成二进制。

反码 ：原码符号位不变，其他位 按位取反。

补码 ：反码+1就得到补码。

 举例证明

我们通过计算规则得到整型变量a=-10的原码、反码、补码，并将二进制的补码转换为十六进制，对比内存中实际存储的十六进制数发现与我们的计算结果一致，说明整型变量确实是以补码的形式存储在内存中。

上述举例中，我们发现在一个整型变量的内存中十六进制数是倒着存放的，这又是为什么？这就要展开讲讲下一个知识点了！

1.2大小端字节序存储方式

举例引入

改变内存栏中一行的显示列数为1，我们可以清晰的看到变量int a 在内存中的四个字节的地址，再来看看这个例子，我们发现（-10）十六进制的低位 被 放在一块内存的低地址处，（-10）十六进制的高位 被 放在一块内存的高地址处，这便是小端字节序存储方式。

总结

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。

1.3一些加深理解的例题

例题1

//输出什么？
#include <stdio.h>
int main()
{
    char a= -1;
    signed char b=-1;
    unsigned char c=-1;
    printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);
    return 0;
}

代码逐句讲解： 

例题2

#include <stdio.h>
int main()
{
    char a = -128;
    printf("%u\n",a);
    return 0;
}

代码逐句讲解： 

例题3

#include <stdio.h>
int main()
{
	int i = -20;
	unsigned  int  j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	return 0;
}

 代码逐句讲解： 

例题4 

int main()
{
    char a[1000];
    int i;
    for(i=0; i<1000; i++)
   {
        a[i] = -1-i;
   }
    printf("%d",strlen(a));
    return 0;
}

  代码讲解：

该题目也可以看图更好的理解：

循环-1-i，可以理解为圆盘从-1开始逆时针依次向数组中存入数字。而strlen函数统计的是‘\0’前的字符个数，由于‘\0’的ASCII码值为0，所以也就是统计数字0之前的数字个数，总共有255个，所以输出255。

二、浮点型在内存中的存储

2.1浮点数的二进制表示形式

        我们知道计算机中任何数据都是以二进制的形式存储在内存中的，那浮点数的二进制形式该如何表示呢？

举例

十进制的5.0，写成二进制是 101.0 ，相当于 1.01×2^2

十进制的-5.0，写成二进制是 -101.0 ，相当于 -1.01×2^2

十进制的5.5，写成二进制是 101.1 ，相当于 -1.01×2^2

解释：十进制的5.5，为什么写成二进制是 101.1 ？

 2.2二进制浮点数的存储规则

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可以表示成下面的形式：

(-1)^S * M * 2^E

解释如下：

S 符号位，用于表示浮点数的正负  S=0,V>0; S=1,V<0

M有效数字    1<M<2 

E表示指数位。

可见，一个二进制浮点数是通过S,E,M的组合形成的，所以，二进制浮点数在内存中的存储也是通过存储S,E,M来纪录对应的二进制序列信息

S,E,M存储的位置以及对应的内存大小如下：

 S,E,M存储规则

• S:只存一个数字：0->正数      1->负数

• E：它为一个无符号整数（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。

• M：它可以写成 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。

举例

三、总结

明白数据在内存中的存储形式到底是为了什么呢？

目前而言，只有知道它在底层的存储形式，才能当我们在以各种形式（不同的数据类型即看待数据的不同视角）取出数据的时候，才能明白这个输出结果的成因，当我们遇到与我们预期输出不同的结果时，才更好的理解程序所出现的问题，并且避免因为数据类型的使用不当而产生的bug。