一篇文章帶你瞭解C語言–數據的儲存
前言
前面我們學習瞭C語言的一些基本知識和基礎的語法，想必大傢對C語言都有瞭自己的認識。
當然隻是學習這些知識還是不夠的，我們需要進行更加深入的學習。
從本章開始，我們將進行C語言進階階段的學習，所以難度會有所增加。
數據類型介紹
前面我們已經學習瞭基本的內置類型：
| char | //字符數據類型 |
| short | //短整型 |
| int | //整形 |
| long | //長整型 |
| long long | //更長的整形 |
| float | //單精度浮點數 |
| double | //雙精度浮點數 |
//C語言有沒有字符串類型？
C語言中沒有字符串類型，但是C語言提供瞭字符串常量。
C語言中字符串的概念：以 NULL(‘\0’) 字節結尾的零個或多個字符，字符串通常儲存在字符數組中
當一個字符串常量出現在一個表達式中時，表達式所使用的值就是這些字符所存儲的地址，因此可以把字符串常量賦值給一個“指向字符的指針”。以及他們所占存儲空間的大小。
類型的意義：
1. 使用這個類型開辟內存空間的大小（大小決定瞭使用范圍）。
2. 如何看待內存空間的視角。
int main()
{
int a = 10;//創建空間後，這塊空間的內容以整型的方式考慮和使用
char c = 'a';//創建空間後，以字符類型的方式考慮和使用
return 0;
}
類型的基本歸類
整形傢族：
char
unsigned char
signed charshort
unsigned short [int]
signed short [int]int
unsigned int
signed intlong
unsigned long [int]
signed long [int]
無符號數：即有符號數的符號位表示為有效位。
例如：
#include<stdio.h>
int main()
{
unsigned int a = -1;
printf("%u", a);
return 0;
}
這裡的-1是一個有符號數，當我們以無符號數打印時，最高位不再是符號位，且無符號數的原反補碼相同，則它的所有位為1，打印出來是一個很大的數。
這裡我們可以清楚的看出無符號與有符號數的區別。
註意：有符號中的 -128 就表示為 10000000。
並且我們可以推算出有符號char類型所能表示的范圍是-128——127；無符號char類型所能表示的范圍是0——255。同理也可以推算出其他類型的范圍。
ps:char類型有無符號取決於編譯器的類型 ，short,int,long均表示為有符號，前面加unsigned才表示為無符號
浮點數傢族：
float
double
構造類型：
> 數組類型
> 結構體類型 struct
> 枚舉類型 enum
> 聯合類型 union
所謂數組類型，即去掉數組名後剩下的就是數組的類型。
例如：我們求一個變量的大小，可以通過它變量名求，也可以通過它的類型求大小。數組亦是如此。
int main()
{
int a = 10;
int arr[10] = { 0 };
printf("%d\n", sizeof(a));//4
printf("%d\n", sizeof(int));//4
printf("%d\n", sizeof(arr));//40
printf("%d\n", sizeof(int [10]));//40
return 0;
}
指針類型
int *pi;
char *pc;
float* pf;
void* pv;
空類型：
void 表示空類型（無類型）
通常應用於函數的返回類型、函數的參數、指針類型。
void test(void)
{
printf("hehe\n");
}
int main()
{
test();
return 0;
}
整形在內存中的存儲
我們之前講過一個變量的創建是要在內存中開辟空間的。空間的大小是根據不同的類型而決定的。
那接下來我們談談數據在所開辟內存中到底是如何存儲的？
比如：
int a = 20; int b = -10;
我們知道為 a 分配四個字節的空間。 那如何存儲？
下來瞭解下面的概念：
原碼、反碼、補碼
計算機中的有符號數有三種表示方法，即原碼、反碼和補碼。
三種表示方法均有符號位和數值位兩部分，符號位都是用0表示“正”，用1表示“負”，而數值位
三種表示方法各不相同。原碼
直接將二進制按照正負數的形式翻譯成二進制就可以。反碼
將原碼的符號位不變，其他位依次按位取反就可以得到瞭補碼
反碼+1就得到補碼。
正數的原、反、補碼都相同。
對於整形來說：數據存放內存中其實存放的是補碼。
為什麼呢？
在計算機系統中，數值一律用補碼來表示和存儲。原因在於，使用補碼，可以將符號位和數值域統一處理； 同時，加法和減法也可以統一處理（CPU隻有加法器）此外，補碼與原碼相互轉換，其運算過程是相同的，不需要額外的硬件電路
例如：
int main()
{
int a = -1;
//10000000000000000000000000000001--原碼
//11111111111111111111111111111110--反碼(原碼符號位不變，其他位按位取反)
//11111111111111111111111111111111--補碼(補碼+1)
int b = 10;//正整數原反補相同
//00000000000000000000000000001010--原碼
//00000000000000000000000000001010--反碼
//00000000000000000000000000001010--補碼
return 0;
}
我們看看在內存中的存儲：
內存中是以十六進制的形式儲存的，那10應該表示為 00 00 00 0a，為什麼這裡會倒過來呢？？
大小端介紹
什麼大端小端：
大端（存儲）模式，是指數據的低位保存在內存的高地址中，而數據的高位，保存在內存的低地址中；
小端（存儲）模式，是指數據的低位保存在內存的低地址中，而數據的高位,，保存在內存的高地址中。
為什麼有大端和小端：
為什麼會有大小端模式之分呢？這是因為在計算機系統中，我們是以字節為單位的，每個地址單元都對應著一個字節，一個字節為8bit。但是在C語言中除瞭8bit的char之外，還有16bit的short型，32bit的long型（要看具體的編譯器），另外，對於位數大於8位的處理器，例如16位或者32位的處理器，由於寄存器寬度大於一個字節，那麼必然存在著一個如果將多個字節安排的問題。因此就導致瞭大端存儲模式和小端存儲模式。
例如一個 16bit 的 short 型 x ，在內存中的地址為 0x0010 ， x 的值為 0x1122 ，那麼 0x11 為高字節， 0x22為低字節。對於大端模式，就將 0x11 放在低地址中，即 0x0010 中， 0x22 放在高地址中，即 0x0011 中。小端模式，剛好相反。我們常用的 X86 結構是小端模式，而 KEIL C51 則為大端模式。很多的ARM，DSP都為小端模式。有些ARM處理器還可以由硬件來選擇是大端模式還是小端模式。
百度2015年系統工程師筆試題：
請簡述大端字節序和小端字節序的概念，設計一個小程序來判斷當前機器的字節序。（10分）
//代碼1
#include <stdio.h>
int check_sys()
{
int i = 1;
//char*p = (char*)&i;
return (*(char*)&i);//先將i的地址取出強制類型轉換為char*
//解引用後隻會訪問一個字節,且為最低位的那個字節
//如果是小端存儲(01 00 00 00)則解引用後得到的是1
//如果是大端存儲(00 00 00 01)則解引用後得到的是0
}
int main()
{
int ret = check_sys();
if (ret == 1)
{
printf("小端\n");
}
else
{
printf("大端\n");
}
return 0;
}
//代碼2
int check_sys()//這裡我們後面講到聯合時再仔細講解
{
union
{
int i;
char c;
}un;
un.i = 1;
return un.c;
}
練習
1.
//輸出什麼？
#include <stdio.h>
int main()
{
char a= -1;
signed char b=-1;
unsigned char c=-1;
//00000000000000000000000011111111
printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c);
return 0;
}
a和b毫無疑問是-1，雖然會進行整形提升，但所有位都是1並不會影響最後的結果。
c因為是一個無符號數，而這裡%d是以有符號數da印，需要整型提升，所以應該是255。
下面程序輸出什麼？
2.
#include <stdio.h>
int main()
{
char a = -128;
//-128的二進制位
//10000000000000000000000010000000
//11111111111111111111111101111111
//11111111111111111111111110000000
// a中存的二進制位
//100000000
printf("%u\n",a);//以無符號整形打印，需進行整形提升,左邊補1
//11111111111111111111111110000000 4294967168
return 0;
}
3.
#include <stdio.h>
int main()
{
char a = 128;
//char類型的范圍是-128到127，128按照二進制位轉換其實就是-128，所以和上面相同
printf("%u\n",a);
return 0;
}
4.
int i= -20;
unsigned int j = 10;
//-20
//10000000000000000000000000010100 原碼
//11111111111111111111111111101011 反碼
//11111111111111111111111111101100 補碼
//10
//00000000000000000000000000001010 原反補
//i+j
//11111111111111111111111111110110 補碼
//11111111111111111111111111110101 反碼
//10000000000000000000000000001010 原碼 -10
printf("%d\n", i+j);
//按照補碼的形式進行運算，最後格式化成為有符號整數
5.
unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)//i為無符號數恒大於0，條件恒成立，死循環
{
printf("%u\n",i);
}
6.
int main()
{
char a[1000];
int i;
for(i=0; i<1000; i++)
{
a[i] = -1-i;//a[0]=-1，且數組中數據類型為char，范圍是-128到127
}
printf("%d",strlen(a));//strlen遇到'\0'(0)就停止計數，而這裡數組的第256個元素a[255]=0
return 0; //所以這裡輸出255
}
7.
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
for(i = 0;i<=255;i++)//i為無符號數且為char類型，i<=255恒成立，死循環
{
printf("hello world\n");
}
return 0;
}
浮點型在內存中的存儲
常見的浮點數：
3.14159 1E10 浮點數傢族包括： float、double、long double 類型。 浮點數表示的范圍：float.h中定義。
浮點數存儲的例子：
int main()
{
int n = 9;
float *pFloat = (float *)&n;
printf("n的值為：%d\n",n);
printf("*pFloat的值為：%f\n",*pFloat);
*pFloat = 9.0;
printf("num的值為：%d\n",n);
printf("*pFloat的值為：%f\n",*pFloat);
return 0;
}
輸出的結果是什麼呢？
num 和 *pFloat 在內存中明明是同一個數，為什麼浮點數和整數的解讀結果會差別這麼大？ 要理解這個結果，一定要搞懂浮點數在計算機內部的表示方法。
根據國際標準IEEE（電氣和電子工程協會） 754，任意一個二進制浮點數V可以表示成下面的形式：
- (-1)^S * M * 2^E
- (-1)^s表示符號位，當s=0，V為正數；當s=1，V為負數。
- M表示有效數字，大於等於1，小於2。
- 2^E表示指數位。
舉例來說：
十進制的5.0，寫成二進制是 101.0 ，相當於 1.01×2^2 。 那麼，按照上面V的格式，可以得出s=0，M=1.01，E=2。
十進制的-5.0，寫成二進制是 -101.0 ，相當於 -1.01×2^2 。那麼，s=1，M=1.01，E=2
註意：有些數字可能不能精確表示，例如0.3
IEEE 754規定： 對於32位的浮點數，最高的1位是符號位s，接著的8位是指數E，剩下的23位為有效數字M。
對於64位的浮點數，最高的1位是符號位S，接著的11位是指數E，剩下的52位為有效數字M。
IEEE 754對有效數字M和指數E，還有一些特別規定。 前面說過， 1≤M<2 ，也就是說，M可以寫成 1.xxxxxx 的形式，其中xxxxxx表示小數部分。
IEEE 754規定，在計算機內部保存M時，默認這個數的第一位總是1，因此可以被舍去，隻保存後面的xxxxxx部分。比如保存1.01的時候，隻保存01，等到讀取的時候，再把第一位的1加上去。這樣做的目的，是節省1位有效數字。以32位浮點數為例，留給M隻有23位，將第一位的1舍去以後，等於可以保存24位有效數字。
至於指數E，情況就比較復雜。
首先，E為一個無符號整數（unsigned int） 這意味著，如果E為8位，它的取值范圍為0~255；如果E為11位，它的取值范圍為0~2047。但是，我們知道，科學計數法中的E是可以出現負數的，所以IEEE 754規定，存入內存時E的真實值必須再加上一個中間數，對於8位的E，這個中間數是127；對於11位的E，這個中間數是1023。比如，2^10的E是10，所以保存成32位浮點數時，必須保存成10+127=137，即10001001。
例如：
int main()
{
float f = 5.5f;
//101.1
//科學計數法：(-1)^0*1.011*2^2
//S=0
//M=1.011
//E=2 +127存儲
//二進制表示：0 10000001 01100000000000000000000
//十六進制： 40 B0 00 00
return 0;
}
其中我們可以看出浮點數在內存中的存儲，也是有大小端的。
然後，指數E從內存中取出還可以再分成三種情況：
E不全為0或不全為1
這時，浮點數就采用下面的規則表示，即指數E的計算值減去127（或1023），得到真實值，再將有效數字M前加上第一位的1。 比如： 0.5（1/2）的二進制形式為0.1，由於規定正數部分必須為1，即將小數點右移1位，則為1.0*2^(-1)，其階碼為-1+127=126，表示為01111110，而尾數1.0去掉整數部分為0，補齊0到23位00000000000000000000000，則其二進制表示形式為:
0 01111110 00000000000000000000000
E全為0
這時，浮點數的指數E等於1-127（或者1-1023）即為真實值， 有效數字M不再加上第一位的1，而是還原為0.xxxxxx的小數。這樣做是為瞭表示±0，以及接近於0的很小的數字。
E全為1
這時，如果有效數字M全為0，表示±無窮大（正負取決於符號位s）；
最後來解釋一下前面的題：
int main()
{
int n = 9;
//000000000000000000000000000001001
float* pFloat = (float*)&n;
//將整形9的二進制位轉化為浮點型，S=0，E為全0，所以可以表示近似為0
printf("n的值為：%d\n", n);
printf("*pFloat的值為：%f\n", *pFloat);
*pFloat = 9.0;
//1001.0
//S=0,E=130(3+127),M=1001
//9.0在內存中的二進制:01000001000100000000000000000000
printf("num的值為：%d\n", n);//這裡打印的n是以9.0在內存中的二進制位以整形打印，所以結果不是9.0
printf("*pFloat的值為：%f\n", *pFloat);
return 0;
}
總結
本篇文章就到這裡瞭，希望能給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容！