C语言数据在内存中的存储流程深入分析

2022-11-13 18:11:44 语言 内存 流程

前言

C语言中有char、short、int、long、long long、float和doubole这些数据类型。这些数据类型也叫内置类型。

所占存储空间的大小:

数据类型所占存储空间的大小
char1个字节
int4个字节
short4个字节
long4个字节
long long32位平台下占4个字节 ,64位平台下占8个字节
float4个字节
double8个字节

类型的基本分类

整型

整型一共有char、int、short、long和long long这五种类型。

char类型的数据在内存中存放的是ASCII码值,是整型,所以也被当成整型。

这些整型都分为有符号的整型和无符号的整型,具体可以看下面:

	int a = 5;
	signed int b;//有符号的整型
	unsigned int c;//无符号的整型

signed是有符号的,unsigned是无符号的。

平时我们定义变量时,一般都不会加前面,只是int 变量名 = 数据,其实这就相当于signed int 变量名 = 数据。

注意 \color{#FF0000}{注意} 注意 :但是char这个类型比较特殊,在C语言的标准中,没有定义char到底是有符号的还是无符号的,取决于编译器。

关于无符号和无符号:

前面我们说到了int类型在内存中占4个字节,1个字节就是8个bit。

比特位即bit,是计算机最小的存储单位。以0或1来表示比特位的值(二进制表示)。

10的二进制序列就如图所示,其中第一位是符号位,0代表正数,1代表负数

浮点数

浮点数有float和double,一般用来表示小数。

float的表示精度低,存储数值范围较小。

double的表示精度高,存储数值范围较大。

自定义类型

自定义类型有数组类型、结构体类型、枚举、联合体、指针类型和空类型(void)。在这就不一一详细讲了。

整型在内存中的存储

在了解整型在内存中的存储前,先了解一个计算机的原码、反码、补码。

原码、反码、补码

数值表示形式有:二进制、八进制、十进制和十六进制。

整数的二进制也有三种表达形式:原码、反码、补码。

整数中:

正数的原码反码补码相同

负数的原码反码补码是需要计算的

  • 原码:整数的二进制序列(注意符号位)
  • 反码:符号位不变,其它位按位取反就是反码(0变1,1变0)
  • 补码:反码加1就是补码

整型在内存中存放的是补码

接下来来验证内存中存放的是补码:

我定义了一个a变量,值为-10. 原码反码和补码也给大家了,因为正整数的原码、反码和补码相同,所以不用正整数验证。接下来让我们来用编译器来调试并监视来观察内存,来看看整型在内存中是如何存储的。

看上图,虽然这里面看到的是十六进制,但不要认为是以十六进制存储的,但本质存的还是二进制序列。由此我们可以得出内存中存放的是补码。

大端和小端

我们看到上图a的地址和我们写的十六进制序列是反着的,为什么?这就是大小端的问题了。

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。

如何判断编译器是大端还是小端

int main()
{
	int a = 1;
	if(*(char*)&a == 1)
	{
		printf("小端")
	}
	else
	{
		printf("大端")
	}
}

如果是小端存储存储的顺序应该是01 00 00 00 大端的话是00 00 00 01

我们对a进行取地址,然后强转成char类型的指针然后再进行解引用,因为强制类型转换了,所以只能访问1个字节的地址,如果得到的1就是小端,0就是大端。

浮点数在内存中的存储

根据国际标准IEEE(电气和电子工程协会)754,一个浮点数 (Value) 的表示其实可以这样表示:

也就是浮点数的实际值,等于符号位(sign bit)乘以指数偏移值(exponent bias)再乘以分数值(fraction)。

简单来说就是对于浮点数在内存中的存储,无论是float(32位浮点数)还是double(64)位浮点数(S),都有符号位(Exp),指数位和有效数字位(Fraction)。

对于float这种32位浮点数来说,指数位占8个bite位,有效数字位占23个bite位

对于double这种64位浮点数来说,指数位占11个bite位,有效数字位占52个bite位

符号位都是占1个bite位。

其中因为浮点数的小数部分,用二进制中难以存储,就会存在精度不准的问题。

单精和双精浮点数的有效数字分别是有存储的23和52个位,加上最左手边没有存储的第1个位,即是24和53个位。

由以上的计算,单精和双精浮点数可以保证7位和15位十进制有效数字。

总结

对于数据在内存中的存储,大家还是要重点掌握原码、反码和补码的,要会计算,然后是浮点数的存储方式,可以把它当成一个拓展知识来了解,拓展一下眼界,如果真要熟练掌握浮点数的存储规则是要研究很多东西的,大家感兴趣也可以去看一下国际标准IEEE754。

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