【C语言进阶】从入门到入土（数据的存储）
前言：
這一篇我們來深度剖析數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲，讓我們走進(jìn)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中到底是任何進(jìn)行存儲的，不同的數(shù)據(jù)類型有何差異。
進(jìn)階之?dāng)?shù)據(jù)的存儲：
- 一、數(shù)據(jù)類型詳細(xì)介紹及歸類
- 1.數(shù)據(jù)類型介紹
- 2.類型的基本歸類
- ① 整形家族
- ② 浮點數(shù)家族
- ③ 構(gòu)造類型
- ④ 指針類型
- ⑤ 空類型
- 二、整形在內(nèi)存中的存儲
- 1.關(guān)于整形的大小范圍
- 2.變量創(chuàng)建時的內(nèi)存空間
- 3.原碼、反碼、補碼
- 4.補碼的表示與存儲
- 三、大小端字節(jié)序介紹及判斷
- 1.大小端介紹
- 四、浮點型在內(nèi)存中的存儲
- 1.常見的浮點數(shù)及范圍
- 2.整形與浮點型存儲方式
- 3.浮點型在內(nèi)存中的存儲
- 4.IEEE754的特別規(guī)定
- 5.重新觀察代碼
一、數(shù)據(jù)類型詳細(xì)介紹及歸類
1.數(shù)據(jù)類型介紹
基本內(nèi)置類型(即為C語言本身具有的類型)：
我們先前學(xué)到的這幾類基本類型：
| char | 字符數(shù)據(jù)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(shù) |
| double | 雙精度浮點數(shù) |
ps：一些較為老的編譯器中沒有l(wèi)ong long類型。
類型的兩個重要意義：
對于第一個意義，我們可以拆開來看待：
1.這么多種類型又如何分類？
我們可以歸類一下，因為char字符在底層存儲的時候是ASCII碼值，ASCII碼值為整數(shù)，所有也算屬于整形。所以上面的char到long long 都屬于整形家族，float和double為浮點數(shù)家族。
2.而為什么要有整形浮點型的劃分呢？
因為我們生活中到處都是整數(shù)和小數(shù)。
3.為什么要有如短整型長整形，單精度雙精度之分呢？
這是因為我們在創(chuàng)建類型的內(nèi)存大小直接影響我們所能存儲的范圍大小，簡單來說就是能使用適當(dāng)?shù)目臻g去存儲適當(dāng)?shù)闹?#xff0c;不至于太大的空間浪費或越界溢出。
而第二個意義中，就是類似于同一種事務(wù)以不同的看法去看待它和對待它。
比如下面代碼：
int main() {int a = 10;float b = 10.0f;return 0; }在這里，a和b所創(chuàng)建的類型都是4個字節(jié)，而不同的是類型，當(dāng)你用int類型創(chuàng)建的時候，a的創(chuàng)建，存取都是按照整形來操作；同理在創(chuàng)建b的時候，就是完全按照float類型來了。
具體有什么不同，我們接著往下看就知道了。
2.類型的基本歸類
① 整形家族
ps：[ ]內(nèi)可省略，如 signed short int 可寫為signed short,或者short int 也可以寫為short。
| char | unsigned char signed char |
| short | unsigned short [int] signed short [int] |
| int | unsigned int signed int |
| long | unsigned long [int] signed long [int] |
我們可以看到在整形家族中，每個類型分為有無符號兩種，而一般我們在編譯過程中，定義一個整形的時候并沒有在前面寫有無符號，這時一般默認(rèn)為有符號。如：int a = 10；定義的a就是有符號的，short和long同樣適用。
但char 在定義的時候，默認(rèn)符號取決于編譯器，大多數(shù)編譯器中char是有符號的char，即為signed char。
即：
#include <stdio.h>int main() {//有無符號？char a;//取決于編譯器short b;//等于 signed shortint c;//等于 signed intlong d;//等于 signed longreturn 0; }那么有符號和無符號有什么區(qū)別呢？
我們知道，整數(shù)有原反補三種編碼方式，原碼為顯示數(shù)值的形式，補碼為在內(nèi)存中存儲的形式。
有符號的原碼中，最高位為符號位，即0代表正號，1代表符號，其他位是有效(數(shù)值)位。而無符號的原碼中，全部為有效(數(shù)值)位。
我們來看這一段代碼：
int main() {unsigned char c1 = 255;signed char c2 = 255;char c3 = 255;printf("%d\n", c1);printf("%d\n", c2);printf("%d\n", c3);//三個輸出分別是多少？return 0; }答案是： 255 ，-1 ， -1 。
還不清楚原碼反碼補碼的可以到 【C語言】從入門到入土（操作符篇）中的移位操作符處學(xué)習(xí)一下。也可以先看下面也有介紹。
當(dāng)我們將255儲存的時候，其原碼為11111111，因為正數(shù)原反補碼相同，所有在內(nèi)存中存儲的時候也是11111111。不清楚我們可以打開內(nèi)存中查看。在vs2019中 F10運行起來，然后點擊調(diào)試——窗口——內(nèi)存——內(nèi)存1，然后輸入地址就可以看見了。
這里是十六進(jìn)制顯示，一個f就是15，也就是二進(jìn)制中1111，兩個f所以就是11111111，證明我們的原碼是正確的。那這里為什么有255和-1兩個結(jié)果呢？答案就在符號位那里：
int main() {unsigned char c1 = 255;signed char c2 = 255;char c3 = 255;//存進(jìn)去時，都是 11111111printf("%d\n", c1);//取c1的時候，c1無符號，都是有效位，值為255printf("%d\n", c2);//取c2的時候，c2有符號，第一位符號位，是負(fù)數(shù)，需要算出原碼再得值//補碼11111111 反碼11111110 原碼10000001 所以c2= -1 printf("%d\n", c3);//與c2同理得-1return 0; }當(dāng)有符號和無符號存進(jìn)去的時候都是255，但取出來的時候就在判斷有無符號的時候產(chǎn)生了差異，這里既然同一個數(shù)存儲取出的時候有不同，那有無符號的范圍也是有所不同的。
有符號char因為有負(fù)數(shù)域，所以范圍是 -128~127。
無符號char因為無符號，所以范圍是0~255，沒有負(fù)數(shù)。
而從char中，我們也可以延申計算出short，int，long等有無符號的范圍，這里就不一一計算了，有興趣的可以自己算一下。
② 浮點數(shù)家族
float
double
浮點型家族中有單精度浮點型和雙精度浮點型，什么時候用單精度什么時候用雙精度取決于你需要精度多高，你需要更高精度用double，不需要就用float，在float足夠用時用double的話會浪費內(nèi)存空間。
③ 構(gòu)造類型
構(gòu)造類型就是自己能夠創(chuàng)造的類型，自定義類型。
數(shù)組類型
結(jié)構(gòu)體類型 struct
枚舉類型 enum
聯(lián)合類型 union
1.數(shù)組也是有類型的。
int main() {int a = 0;//整形類型int arr[10] = { 0 };//數(shù)組，arr為數(shù)組名//去掉數(shù)組名就是數(shù)組類型，在這里數(shù)組類型是intreturn 0; }我們可以驗證一下，當(dāng)我們創(chuàng)建類型后需要計算類型大小的時候，我們可以用變量名來進(jìn)行計算，也可以用類型來計算。
int main() {int a = 0;int arr[10] = { 0 };printf("%d\n", sizeof(a));//4printf("%d\n", sizeof(int));//4printf("%d\n", sizeof(arr));//40printf("%d\n", sizeof(int [10]));//40//答案是一樣的，說明數(shù)組除去數(shù)組名就是數(shù)組類型return 0; }2.關(guān)于結(jié)構(gòu)體
關(guān)于結(jié)構(gòu)體可以查看操作符篇中的詳解。
【C語言】從入門到入土（操作符篇）
3.枚舉類型
枚舉類型定義的一般形式為：
enum 枚舉名{ 枚舉值表 };
在枚舉值表中應(yīng)羅列出所有可用值。這些值也稱為枚舉元素。
4.聯(lián)合類型
在后面的博客中再做詳解。
④ 指針類型
int *pi; char *pc; float* pf; void* pv;指針也是有類型的。
當(dāng)我們需要將一個變量的地址保存起來的時候，我們就需要用到指針，例如下面這段代碼中，p就把num的地址儲存了起來，p就是指針變量：
int num = 10; p = #而指針的定義方式是： type + * ，如char * p；
其實： char* 類型的指針是為了存放 char 類型變量的地址。 short* 類型的指針是為了存放 short 類型變量的地址。 int* 類型的指針是為了存放int 類型變量的地址。
而指針類型的意義就在于確定了該指針的類型，就決定了指針向前或者向后走一步有多大（距離）。
⑤ 空類型
void 表示空類型（無類型）
通常應(yīng)用于函數(shù)的返回類型、函數(shù)的參數(shù)、指針類型。
我們看下面兩段代碼：
void fun() {printf("hello!"); } int main() {fun();fun(10086);//正常運行，輸出hello！hello！return 0; } void fun(void) {printf("hello!"); } int main() {fun();fun(10086);//能運行，但錯誤列表中提示錯誤，輸出hello！hello！return 0; }當(dāng)我們調(diào)用自定義函數(shù)時，我們不設(shè)傳參，但在主函數(shù)中有值傳過去，結(jié)果也是不影響的，因為fun函數(shù)根本沒有接收這個傳參，我們也可以直接在函數(shù)后寫上void拒絕接收。
二、整形在內(nèi)存中的存儲
1.關(guān)于整形的大小范圍
我們可以直接在vs2019中去輸入下列代碼，然后點擊INT_MAX,轉(zhuǎn)到定義，就可以查看int的最大值和最小值了，同時還可以看到其他整形的最大最小值。
#include <limits.h> //整形限制大小頭文件 INT_MAX;2.變量創(chuàng)建時的內(nèi)存空間
當(dāng)一個變量創(chuàng)建的時候是要在內(nèi)存中開辟空間的。空間的大小是根據(jù)不同的類型而決定的。
那數(shù)據(jù)在空間中是任何開辟的呢？
比如int a = -1，創(chuàng)建這個整形變量之后，內(nèi)存中會如何變化，我們來觀察觀察。
這里我們創(chuàng)建了一個變量a，F10代碼走起來之后，我們點擊查看內(nèi)存中的變化，地址寫&a，我們會發(fā)現(xiàn)當(dāng)執(zhí)行完int a = -1后，&a處地址的值變成了ff ff ff ff，我們知道一個f就是4個1（十六進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制），那-1為什么會儲存中是8個f呢，這里就引進(jìn)數(shù)據(jù)在儲存是有原反補三種編碼方式了。
3.原碼、反碼、補碼
計算機中的有符號數(shù)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(shù)值位兩部分，符號位都是用0表示“正”，用1表示“負(fù)”，而數(shù)值位三種表示方法各不相同。正數(shù)的原、反、補碼都相同，負(fù)數(shù)則按下面規(guī)則進(jìn)行運算。
原碼：
直接將二進(jìn)制按照正負(fù)數(shù)的形式翻譯成二進(jìn)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了。
補碼：
反碼+1就得到補碼。
比如：
int main() {int a = -1;//原碼：1 0000000 00000000 00000000 00000001//反碼：1 1111111 11111111 11111111 11111110//補碼：1 1111111 11111111 11111111 11111111//原碼：顯示值//補碼：數(shù)據(jù)存放內(nèi)存中其實存放的是補碼return 0; }4.補碼的表示與存儲
在計算機系統(tǒng)中，數(shù)值一律用補碼來表示和存儲。
原因在于，使用補碼，可以將符號位和數(shù)值域統(tǒng)一處理； 同時，加法和減法也可以統(tǒng)一處理（CPU只有加法器）此外，補碼與原碼相互轉(zhuǎn)換，其運算過程是相同的，不需要額外的硬件電路。
單純理解可能有點困難，我們可以舉例理解：
int main() {int a = 1;int b = -1;int c = a - b;//c是怎么計算的呢return 0;}由于CPU只有加法器，所以表示為1+（-1）。
假設(shè)是用原碼計算（二進(jìn)制運算）:
a：00000000 00000000 00000000 00000001
b：10000000 00000000 00000000 00000001
—————————————————————
c：10000000 00000000 00000000 00000010
結(jié)果為-2，但是1-1應(yīng)該等于0呀。
用補碼計算：
a：00000000 00000000 00000000 00000001
b：11111111 11111111 11111111 11111111
—————————————————————
c：100000000 00000000 00000000 00000000
最前面的1會舍棄，保留后面的0得：
c：00000000 00000000 00000000 00000000
結(jié)果為0，這才是正確的答案。
所以說使用補碼，可以將符號位和數(shù)值域統(tǒng)一處理。
而最后一句，補碼與原碼相互轉(zhuǎn)換，其運算過程是相同的，不需要額外的硬件電路。就是說上面原碼轉(zhuǎn)反碼，反碼轉(zhuǎn)補碼的過程，還有倒回去也是成立的，不需要其他算法。
之前我們認(rèn)識的原反補轉(zhuǎn)換：
而這句話中的原反補轉(zhuǎn)換：
也就是怎么從原碼轉(zhuǎn)換補碼，也可以以同樣的方式按順序從補碼轉(zhuǎn)換為原碼。
我們再看看，數(shù)據(jù)存儲中有什么地方值得我們關(guān)注的，內(nèi)存中有什么秘密，我們看一下這張圖：
圖中我們創(chuàng)建了兩個變量，一正一負(fù)，然后我們算出a和b在存儲中的十六進(jìn)制表現(xiàn)形式，發(fā)現(xiàn)和內(nèi)存中倒了過來，我們明明得出a是00 00 00 ff，而在內(nèi)存中顯示為ff 00 00 00，這就涉及到大小段的概念了。
三、大小端字節(jié)序介紹及判斷
1.大小端介紹
大端（存儲）模式，是指數(shù)據(jù)的低位保存在內(nèi)存的高地址中，而數(shù)據(jù)的高位，保存在內(nèi)存的低地址中；
小端（存儲）模式，是指數(shù)據(jù)的低位保存在內(nèi)存的低地址中，而數(shù)據(jù)的高位,，保存在內(nèi)存的高地址中。
為什么會有大小端：
因為在計算機系統(tǒng)中，我們是以字節(jié)為單位的，每個地址單元都對應(yīng)著一個字節(jié)，一個字節(jié)為8bit。但是在C語言中除了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，對于位數(shù)大于8位的處理器，例如16位或者32位的處理器，由于寄存器寬度大于一個字節(jié)，那么必然存在著一個如果將多個字節(jié)安排的問題。因此就導(dǎo)致了大端存儲模式和小端存儲模式。
例如一個 16bit 的 short 型 x ，在內(nèi)存中的地址為 0x0010 ， x 的值為 0x1122 ，那么 0x11 為高字節(jié)， 0x22為低字節(jié)。對于大端模式，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(jié)構(gòu)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。
我們來看一個更詳細(xì)的例子：
0x表示以十六進(jìn)制表示值，這樣子我們就很直觀的看見。我們所存儲的變量，在內(nèi)存中恰恰反著存儲了過來。
其實，數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲時，我們可以選擇千奇百怪的存儲方式，我們可以存進(jìn)去時為11 33 22 44 ，也可以是22 33 11 44，但是為了規(guī)整統(tǒng)一，存取方便，我們就把其他的都除去了，留下了大小端這兩種存儲方式。
大小端圖示：
其實大小端儲存模式就是牽扯到數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存時字節(jié)順序的一個問題，而我們當(dāng)前的vs2019就是小段字節(jié)序。
四、浮點型在內(nèi)存中的存儲
1.常見的浮點數(shù)及范圍
3.14159 ，1E10 （即為1.0乘以10的10次方），浮點數(shù)家族包括： float、double、long double 類型。
① 查看浮點數(shù)的大小范圍與整形的查看類似，float.h頭文件就是浮點數(shù)限制大小發(fā)文件。寫出下列代碼，然后點擊FLT_MAX，轉(zhuǎn)到定義，就可以查看了。
#include <float.h> FLT_MAX;②也可以在電腦中直接搜索float.h文件，然后把他拖到vs編譯器里面，也可以查看，直接用此電腦查看估計比較緩慢，這里推薦一個查找器everything（基于名稱快速定位文件和文件夾。）。
Everything 下載鏈接
快速查找定位文件和文件夾：
2.整形與浮點型存儲方式
整形與浮點型存儲方式是不是一樣的呢？
我們可以用一個代碼來試驗一下就知道了，我們存一個整形以浮點型的形式取出，存浮點型以整形的形式取出，看看數(shù)值是否正確便知。
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; }結(jié)果是不一樣的！以整形存儲進(jìn)去浮點型拿出的9得到的是0.00000，而浮點型存進(jìn)去整形拿出的9.0竟然成了1091567616。
所以我們要重新理解浮點型是如何存儲的。
3.浮點型在內(nèi)存中的存儲
根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE（電氣和電子工程協(xié)會） 754，任意一個二進(jìn)制浮點數(shù)V可以表示成下面的形式：
- (-1)^S * M * 2^E
- (-1)^s表示符號位，當(dāng)s=0，V為正數(shù)；當(dāng)s=1，V為負(fù)數(shù)。
- M表示有效數(shù)字，大于等于1，小于2。
- 2^E表示指數(shù)位。
舉例來說：
在這里，十進(jìn)制小數(shù)點前面的，均按照二進(jìn)制換算進(jìn)行，而小數(shù)點后面的，則不是直接換算，而是小數(shù)點后面每一位，對應(yīng)著2的負(fù)n次方的值，比如上面的5.5轉(zhuǎn)換后是101.1，小數(shù)點后面第一位表示的就是2的負(fù)一次方，即為0.5，小數(shù)點后面第二位就是0.25。但不要糾結(jié)如3.3的數(shù)字，這類數(shù)是比較難以保存的。
同理，當(dāng)浮點數(shù)為負(fù)數(shù)的時候，s就是1，其他的不變。比如十進(jìn)制的-5.0，寫成二進(jìn)制是 -101.0 ，相當(dāng)于 -1.01×2^2 。那么，s=1，M=1.01，E=2。
所以根據(jù)上述IEEE754規(guī)定，浮點數(shù)存儲的時候只需要存儲S，M，E三個數(shù)就可以了。
而存儲時空間的分配：
對于32位的浮點數(shù)，最高的1位是符號位s，接著的8位是指數(shù)E，剩下的23位為有效數(shù)字M。
對于64位的浮點數(shù)，最高的1位是符號位S，接著的11位是指數(shù)E，剩下的52位為有效數(shù)字M。
4.IEEE754的特別規(guī)定
IEEE 754對有效數(shù)字M和指數(shù)E，還有一些特別規(guī)定！
①有效數(shù)字M：
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(shù)部分。
IEEE 754規(guī)定，在計算機內(nèi)部保存M時，默認(rèn)這個數(shù)的第一位總是1，因此可以被舍去，只保存后面的xxxxxx部分。比如保存1.01的時候，只保存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(jié)省1位有效數(shù)字。以32位浮點數(shù)為例，留給M只有23位，將第一位的1舍去以后，等于可以保存24位有效數(shù)字。
也就是說，所有的浮點數(shù)都可以化為(-1)^S * M * 2^E這樣的形式，小數(shù)也不例外，比如0.5，化為0.1，也就是(-1)^0*1.0*2^(-1)。
②指數(shù)E：
1.首先，E為一個無符號整數(shù)（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。但是我們上面的0.5轉(zhuǎn)換時就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，E是有可能為負(fù)數(shù)的。所以IEEE754又規(guī)定了：
存入內(nèi)存時E的真實值必須再加上一個中間數(shù)，對于8位的E，這個中間數(shù)是127；對于11位的E，這個中間數(shù)是1023。比如，2^10的E是10，所以保存成32位浮點數(shù)時，必須保存成10+127=137，即10001001；而2^(-1)存進(jìn)去時，保存的便是-1+127=126，011111110。
2.那存進(jìn)去的形式有了，取出的時候如何呢？
指數(shù)E從內(nèi)存中取出還可以再分成三種情況：
這時，浮點數(shù)就采用下面的規(guī)則表示，即指數(shù)E的計算值減去127（或1023），得到真實值，再將有效數(shù)字M前加上第一位的1，即為怎么存的就怎么取。
當(dāng)E全為0時，浮點數(shù)的指數(shù)E等于1-127（或者1-1023）即為真實值，是一個非常小的數(shù)！所以有效數(shù)字M不再加上第一位的1，而是還原為0.xxxxxx的小數(shù)。這樣做是為了表示±0，以及接近于0的很小的數(shù)字。
與E為全0一樣，當(dāng)E為全1的時候，是一個非常非常大的數(shù)字，再加上正負(fù)號，就類似接進(jìn)于正負(fù)無窮大。所以這時，如果有效數(shù)字M全為0，表示±無窮大（正負(fù)取決于符號位s）。
5.重新觀察代碼
知道了浮點數(shù)的存取，我們重新來打量一下這段代碼：
int main() {int n = 9;//整形理解:00000000 00000000 00000000 00001001//浮點型理解:0 00000000 0000000000000000001001float* pFloat = (float*)&n;printf("n的值為：%d\n", n);//9printf("*pFloat的值為：%f\n", *pFloat);//0//所以按照上面的浮點型理解，E還要減去127，得出為//(-1)^0 * 1.001*2^(-126) 接近為 0，所以顯示為0.000000//默認(rèn)打印小數(shù)點后六位*pFloat = 9.0;printf("num的值為：%d\n", n);printf("*pFloat的值為：%f\n", *pFloat);return 0; }而下面那一段也是同樣的道理，按照浮點型存儲，9.0應(yīng)該存儲為1001.0
所以為(-1)^0 * 1.001*2^3 ,而且E要加上127，然后轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)列就是
浮點型理解：0 10000010 00100000000000000000000
整形理解：01000001000100000000000000000000
我們可以用計算機算一下：
的確和程序運行起來一樣的數(shù)字，所以證明上面的說法都是正確的。
好啦，本篇的內(nèi)容就到這里，小白制作不易，有錯的地方還請xdm指正，互相關(guān)注，共同進(jìn)步。
還有一件事：
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【C语言进阶】从入门到入土（数据的存储）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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