数据在内存中是如何存储的？（上）

墨蓝 2023-10-10 23:48 59阅读 0赞

#### C语言进阶——数据在内存中是如何存储的？ ####

*  一. 整型数据的二进制表示
 *  二.数据类型详细介绍
 *   *  1.1 类型的基本归类
     *  1.2认识有无符号的区别（ signed 和 unsigned ）
     *  1.3代码理解一：
     *  1.4代码二理解：
     *  1.5代码三理解：
     *  1.6代码四理解：
     *  1.7代码五理解：
 *  三. 大小端字节序介绍及判断

## 一. 整型数据的二进制表示 ##

**整型数据的二进制表示形式有三种：原码，反码，补码  
1.原码：根据类型来表示二进制位数，最高一位为符号位（1表示负数，0表示正数）  
2.反码：原码的符号位不变，其余按位取反；  
3.补码：反码 + 1**；

**注意一点：正数和负数的原码，反码，补码有区别！！！**  
**正数：原码，反码，补码是相同的。  
负数：原码，反码，补码按上面条件改变**

上面三种是怎样表示呢？举一个简单例子

> \`创建一个整型变量num，在内存中开辟了四个字节的空间存放数据，四个字节 = 32 个比特位，也就是32位二进制

`int num = 10；`

原码：  
00000000000000000000000000001010  
反码：  
00000000000000000000000000001010  
补码：  
00000000000000000000000000001010

`int num = -10；`  
原码：  
10000000000000000000000000001010  
反码：（符号位不变，其余按位取反）  
1111111111111111111111111111111110101  
补码：（反码 + 1）  
1111111111111111111111111111111110110

注意三点：  
**1.内存中存储的是补码。**

> 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。

**2.在内存中用一般用十六进制来表示的。**

> 因为1个十六进制位可以表示4个二进制位，那在内存查看变量时，只用看（32 /4）8位即可，方便查看。  
> ![在这里插入图片描述][b53a4f357c8b466e988dccdc4b713412.png]

**3.内存中补码是倒着存储的。**  
![在这里插入图片描述][b0c0c9a951cc4b5a8359d2e3fdc37e0c.png]

## 二.数据类型详细介绍 ##

C语言有哪些基本数据类型？

char         //字符数据类型，      1个字节大小（以64平台为例）
    short        //短整型             2个字节大小
    int          //整型               4个字节大小
    long long    //更长的整型         8个字节大小
    float        //单精度浮点型       4个字节大小
    double       //双进度浮点型       8个字节大小
    char*        //字符型指针类型     8个字节大小
    int*         //整型指针类型       8个字节大小
    double       //双精度型指针类型   8个字节大小

### 1.1 类型的基本归类 ###

*整型家族*：

char
        unsigned char
        signed char
    short
        unsigned short
        signed short
    int 
        unsigned int 
        signed int
    long
        signed long
        unsigned long
    long long
        unsigned long long
        unsigned long long

> 为什么char类型属于整型呢？  
> 因为字符存储的时候，存储的是ASCII码值，是整型，所以在归类位整型家族

*浮点型家族：*

float
    long float
    double
    long double

*指针类型家族：*

int*
    char*
    float*
    double*
    void*

*空类型：*

void //表示空类型（无类型）
         //一般用于函数的返回类型，函数的参数，指针类型

*构造类型：（自定义类型和变量）*

> 数组类型 类型 数组名\[\]  
> 结构体类型 struct  
> 枚举类型 enum  
> 联合类型 union

### 1.2认识有无符号的区别（ signed 和 unsigned ） ###

> 对于整型家族的类型来说，有符号和无符号是由区别的，不同的的编译器识别在区分char时也所有不同，有些是定义成signed  
> char，有些是定义成unsigned char； char 在VS2019上是 signed char。但是可以确定的是，
> 
> short == signed short；int ==signed int等

**signed char 和 unsigned char的区别是什么呢？**

signed char

我们知道char类型是一个字节（8个比特位）  
假设它的二进制位是：01010111  
则**首位就是它的符号位。**  
下图是八个比特位存放在二进制中的所有可能，因为首位是符号位，所以我们由此可知，  
**sigened char的取值范围是 -128 ~ 127**。**而且只会在这个范围，超出的部分进行下一次循环。**  
![在这里插入图片描述][7756255d1cc0487997c07ce9d9b6975e.png]  
![在这里插入图片描述][4f1adc31606e4791a3f98ef7bd1b7505.png]

unsigned char

二进制的每一位都是数值位，没有符号位。  
假设unsigned char的二进制位是：10010101  
**则unsigned char八比特位二进制位取值范围：0 ~ 255**  
**同理，即使数值递增也不会超出这个范围，超出部分进行下一次循环。**

![在这里插入图片描述][f62243327ed94d2c8636c3cb6c4f20ad.png]

![在这里插入图片描述][0a02c4d01b2c432db29c951fdb451870.png]

> 理解到这里，我们看些代码强化一下，尤其注意无符号类型（unsigned）。

### 1.3代码理解一： ###

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;
    }

char a变量值的是-1；先用32位二进制位求出补码。  
原码：10000000000000000000000000000001  
反码：11111111111111111111111111111110  
补码：11111111111111111111111111111111  
但因为是存放char类型中，只能取8个bite位，从补码后面截断8个比特位，**得到11111111**  
但是用%d（十进制的形式打印有符号整型整数）形式来打印，**所以发生了整型提升（a是有符号类型，所以用符号位的数补全二进制位32位数**）得到：  
补码：11111111111111111111111111111111  
反码: 11111111111111111111111111111110  
原码：10000000000000000000000000000001  
所以char a的输出值应该是 - 1；  
同理，因为char == signed char，char a 和 signed char b是一样的，所以 signed char b的输出值也应该是 -1；

unsigned char c的变量值是 - 1；先用32位二进制位求出补码。  
原码：10000000000000000000000000000001  
反码：11111111111111111111111111111110  
补码：11111111111111111111111111111111  
**但因为是存放char类型中，只能取8个bite位，从补码后面截断8个比特位，得到11111111**  
重点在这里！！！**因为c变量是unsigned char，不考虑符号位，全是数值位，在发生整形提升时，统统补0就好了**。所以得到：  
补码：00000000000000000000000011111111  
**符号位是0，说明是正数，所以反码，原码相同，输出的值应该是255.**  
![在这里插入图片描述][eca41d73e0bb496486c53acdfd8dd4ab.png]

### 1.4代码二理解： ###

int main()
    {
        
    	char a = -128;
    	printf("%d\n", a);
    	printf("%u\n", a);
    	return 0;
    }

先求出 -128的补码：  
原码：10000000000000000000000010000000  
反码：11111111111111111111111101111111  
补码：11111111111111111111111110000000  
因为是char 类型，只能存放后面8bite位，发生截断得到：10000000  
又因为是char类型，补的是符号位，得到：11111111111111111111111110000000。  
**如果使用%d打印，符号位是1，是负数，补码需要转变成原码：最后的结果自然是 -128；**  
**如果使用%u（十进制的形式打印无符号整型整数）打印，%u没有符号位的概念，所有二进制位都是数值位则打印的就是：11111111111111111111111110000000**  
这数字很大，你忍一下。打印的是：4294967168  
![在这里插入图片描述][fea453143b3541189a290481970730ea.png]

### 1.5代码三理解： ###

#include<stdio.h>
    #include<Window.h>
    int main()
    {
        
    	unsigned int i;
    	for(i = 9; i >= 0; i--)
    	{
        
    		printf("%u\n", i);
    		Sleep(1000);//减慢打印时间
    		            //单位是毫秒
    	}
    
    	return 0;
    }

其实很容易看出代码死循环了，**因为unigned int 是无符号整型恒大于等于0，跳不出for循环。当 i = -1时，原本要跳出了的，但因为是无符号类型，负1的补码是：**  
11111111111111111111111111111111。所以打印的是一个很大的数。  
![在这里插入图片描述][2680c2d0b4664c9fad0d3f596fa5ba13.png]

### 1.6代码四理解： ###

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

先看for的条件的条件，i从0递增至1000次  
，再看a\[ i \]的赋值。  
\-1，-2，-3,-4,-5,-6,-7…-998,-999。  
**但是前面我们说了，char的取值范围是-128 ~ 127。多出的部分进行下一次循环。**  
所以应该是如图：  
![在这里插入图片描述][f77462db97794f00895eeba43e0cc8d5.png]  
**strlen函数测的是字符串长度，判断结束的条件是遇见’0’;所以strlen在遇到第256个数字0时，就结束了判断。所以最终的输出应该是255；**  
![在这里插入图片描述][976262ca29d6443895de479a0917dd65.png]

### 1.7代码五理解： ###

#include <stdio.h>
    
    unsigned char i = 0;//0~255
    int main()
    {
        
    for (i = 0; i <= 255; i++)
           {
        
              	printf("hello world\n");
           }
    	return 0;
    }

**unsigned char 的取值范围是0 ~ 255**  
所以是死循环了。

![在这里插入图片描述][a4d5de48fb8c46d6b2fe6fd27bbe297a.png]

## 三. 大小端字节序介绍及判断 ##

**什么大端小端?**

> 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。

**为什么有大端和小端：**

> 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，32bit的long型（要看具体的编器），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。 例如：一个 16bit 的 short 型 x ，在内存中的地址为 0x0010 ， x 的值为 0x1122 ，那么 0x11 为高字节， 0x22 为低字节。对于大端模式，就将 0x11 放在低地址中，即 0x0010 中， 0x22放在高地址中，即 0x0011 中。小端模式，刚好相反。我们常用的 X86 结构是小端模式，而 KEIL C51则为大端模式。很多的ARM，DSP都为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式

**简而言之，变量在内存中存放的字节序（以字节为单位来讨论存储的顺序）在不同编译器上不同，有些编译器是小端字节序存储，反之是大端字节序存储。小端字节序存储是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。  
大端字节序存储是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。**

举个简单例子：  
![在这里插入图片描述][18c51cfbd8cc41d0b89685c1a54e3e1a.png]  
**你可以写个程序来判断你的编译器的大小端**：

int main()
    {
        
    	int a = 1;//整型存放四个字节 00 00 00 01
    	          //用字符p来接收整型的第一个字节
    	char* p = (char*)&a;//a强制类型转换后取得一个字节的内容
    	if (*p == 1)        //用1 或 0判断段大小端存放
    		printf("小端\n");
    	else
    		printf("大端\n");
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][60dff91cf65c4a5ab397151ec7a2bb03.png]  
**我用的时VS2019，是小端字节序存储。**  
![在这里插入图片描述][78229de7221743b1ad7dea13f701f957.png]

小编愚钝，如果有错误的地方请在评论区批评指出，看官走的时候给我个赞赞支持一下呗，谢谢。  
![在这里插入图片描述][6ec7782729b24ea1aa59f363f2af886b.png]

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