抽丝剥茧C语言（高阶）数据的储存+练习

导语

数据类型的变量是如何储存到内存中的？正反补码又是什么？
本章会详细讲解数据的储存。
本章用32位平台

1. 数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型：

char //字符数据类型
short //短整型
int //整形
long //长整型
long long //更长的整形
float //单精度浮点数
double //双精度浮点数
//C语言有没有字符串类型？

以及他们所占存储空间的大小。
类型的意义：

1. 使用这个类型开辟内存空间的大小（大小决定了使用范围）。
2. 如何看待内存空间的视角。

1.1 类型的基本归类

整形家族：

char //因为char类型储存的是ASCII码值，所以也属于整形家族
unsigned char
signed char
short
unsigned short [int]
signed short [int]
int
unsigned int
signed int
long
unsigned long [int]
signed long [int]

浮点数家族：

float
double

构造类型：

数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

指针类型:

int*pi;
char* pc;
float* pf;
void* pv;

空类型：

void 表示空类型（无类型）
通常应用于函数的返回类型、函数的参数、指针类型.

2. 整形在内存中的存储

我们之前讲过一个变量的创建是要在内存中开辟空间的。空间的大小是根据不同的类型而决定的。
数据在所开辟内存中到底是如何存储的？
比如：

int a = 20;
int b = -10;

我们知道为 a 分配四个字节的空间。
那如何存储？
下来了解下面的概念：

2.1 原码、反码、补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法，即原码、反码和补码。
三种表示方法均有符号位和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位。
正数的原、反、补码都相同。
负整数的三种表示方法各不相同。

原码
直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。
反码
将原码的符号位不变，其他位依次按位取反就可以得到反码。
补码//内存中储存的值
反码+1就得到补码。

对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。
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。

我们举个例子：

int a=1;
int c=a-1;

上面说了，CPU只能处理加法，也就是说c=a+（-1），我们来用二进制的角度来看。

a的原码是
00000000000000000000000000000001 //正数的原反补相同
-1的原码是
10000000000000000000000000000001 //原码
11111111111111111111111111111110 //反码
11111111111111111111111111111111 //补码
如果按照CPU的方法，a的原码和-1的原码相加发现：
10000000000000000000000000000010
但如果有了补码，结果如下：

我们看看在内存中的存储：

我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。
这是又为什么？

2.2 大小端介绍

什么是大端小端：

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。

内存中储存的值是用十六进制来表示，至于为什么不用二进制表示，因为二进制太长了，而且不好看，但是内存中实际储存的还是二进制。
我们用0x11223344来举例：
11是数据的高位，44是数据的低位

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8 bit。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。
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。

百度2015年系统工程师笔试题：
请简述大端字节序和小端字节序的概念，设计一个小程序来判断当前机器的字节序。
首先考虑这个代码应该实现的逻辑：

我们可以创建一个变量为1，然后取地址，强制类型转换为char类型，因为取地址取的是第一个字节的地址，所以我们打印出来第一个字节里面的里面的值看是1还是0。

参考代码：

#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;
}

代码的运行结果是：

我电脑的硬件是小端储存方式。

练习

下面的这些代码，如果不经过简单的思考，输出的内容会让你诧异。
下面程序输出什么？

//代码1
#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;
}

代码的运行结果如下：

-1的补码是
11111111111111111111111111111111
储存进入a中，因为是char类型，所以这里会截断，也就是说取二进制的后八位。
储存进入b中，因为是signed char（有符号的char类型），和上面的char类型一样。
储存进入c中，因为是unsigned char（无符号的char类型），也就是说没有符号位。
我们打印的时候使用%d，需要整形提升，a和b是有符号类型，所以整型提升是左边补1，最后和-1的补码是一样的。
然而c是无符号类型，左边补0，补全之后的补码是这样的：
00000000000000000000000011111111
所以打印出来的才是255。

//代码2
#include <stdio.h>
int main()
{
    
	char a = -128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

代码的运行结果如下：

-128的补码是：
11111111111111111111111110000000
储存进入char类型的a中要截断，10000000，这是有符号位，我们打印的是无符号整形，所以要整型提升，变成这个样子。
11111111111111111111111110000000
因为是无符号整型，补码等于原码，结果就是上面很大的那个数了。

//代码3
#include <stdio.h>
int main()
{
    
	char a = 128;
	printf("%u\n", a);
	return 0;
}

这段代码结果和上面一样，只不过128的补码是
00000000000000000000000010000000。

//代码4
#include <stdio.h>
int main()
{
    
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\n", i + j);
	//按照补码的形式进行运算，最后格式化成为有符号整数
	return 0;
}

代码运行结果：

变量 i 的补码是：
11111111111111111111111111101100
变量 j 的补码是：
00000000000000000000000000001010
i+j的补码是：

i+j的补码变成原码是
10000000000000000000000000001010
最后以%d方式打印。

//代码5
#include <stdio.h>
int main()
{
    
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--) 
	{
    
		printf("%u\n", i);
	}
	return 0;
}

这段代码打印出来的结果是死循环。
因为 i 是unsigned int类型，无论怎么样都是正数，所以会死循环。

//代码6
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    
	char a[1000];
	int i;
	for (i = 0; i < 1000; i++)
	{
    
		a[i] = -1 - i;
	}
	printf("%d", strlen(a));
	return 0;
}

这段代码的输出结果是：

我们第一次进入循环的时候，char a[1000]这个数组里面的第一个元素是：
-1，然后是-2…
以二进制的角度来看：
-1的补码 11111111111111111111111111111111
-2的补码 11111111111111111111111111111110
…
我们只能储存进后八位的数据，这里要注意，strlen是遇到\0然后停止，不计算\0的位置，‘\0’等于char里面储存的0。
也就是说二进制到这里才会停止：
11111111111111111111111100000000
所以输出结果是255。
这里我们还发现一件事，有符号char类型的范围是0~127和-1~-128
无符号的char类型范围是是0~255。

//代码7
#include <stdio.h>
unsigned char i = 0;
int main()
{
    
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
    
		printf("hello world\n");
	}
	return 0;
}

这个代码的运行结果也是死循环。
因为 i 是unsigned char类型，无论 i 怎么加，都是正数，所以死循环。

3. 浮点型在内存中的存储

常见的浮点数：

3.14159
1E10
浮点数家族包括： float、double、long double 类型。
浮点数表示的范围：float.h中定义

3.1 一个例子

浮点数存储的例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
    
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	*pFloat = 9.0;
	printf("num的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

我们的输出结果是：

实际的结果是不是很不符合我们的预期结果？
这又是为什么呢？我们往下看：

3.2 浮点数存储规则

num 和 *pFloat 在内存中明明是同一个数，为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大？
要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。
详细解读：
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。

举例来说：
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：
E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23位00000000000000000000000，则其二进制表示形式为:
0 01111110 00000000000000000000000

E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。

E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）；

这就是浮点型的数据储存方式。
解释前面的题目：
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 0000 1001。

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。(%f只打印小数点后面6位的数)
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 。

结束语

请家人们点个赞，大佬们指点不足。