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(由浅入深)带你一步一步走入内存中的世界

热度:76   发布时间:2023-12-04 20:32:43.0

目录

一. 数据类型介绍

1.类型的基本归类:

二. 整形在内存中的存储

1 .原码、反码、补码

2.大小端介绍

(1)什么是大端小端:

(2)为什么有大端和小端:

(3)判断当前机器的字节序

(4)练习题

三. 浮点型在内存中的存储

1.浮点数存储规则

(1)IEEE 754规定:

(2)IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别规定。

(3)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)

2.练习题


前言:我们在面对内存那一串密密麻麻的数字,只是觉得很烦,不知道那其中的奥妙,今天呐,我将要带大家一起去了解数据是如何在内存中存储的,并且让我们可以看懂内存,增加我们的内功,为学习打下更加坚实的基础。

一. 数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型:
大小
char              字符数据类型          1
short              短整型                     2
int                  整形                         4
long               长整型                     4
long long       更长的整形              8
float               单精度浮点数          4
double           双精度浮点数          8

1.类型的基本归类:

整形家族:
char:
        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。

二. 整形在内存中的存储

在了解整形存储之前,我们首先要知道原码、反码、补码的概念。

1 .原码、反码、补码

计算机中的整数有三种表示方法,即原码、反码和补码。
三种表示方法均有 符号位 数值位 两部分,符号位都是用 0 表示 ,用 1 表示 ,而数值位
负整数的三种表示方法各不相同。
原码
直接将二进制按照正负数的形式翻译成二进制就可以。
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了。
补码
反码+1就得到补码。 
正数的原、反、补码都相同。
对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补 码。
存在原码、反码、补码的原因:
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.大小端介绍

(1)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。

比如:0x11223344

                         低地址                            高地址

大端存储为:                11   22   33   44

小端存储为:                44   33   22   11

(2)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。

(3)判断当前机器的字节序

#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; 
}
此时我们会发现结果为    小端

(4)练习题

了解了整形的存储后,我们用几道练习题来加强认识。

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;
}

结果为-1  -1  255

大多数情况下默认char就是signed char ,所以a,b是一样的,

-1的原码为:10000000   00000000   00000000   00000001

-1的反码为:11111111     11111111     11111111     11111111

-1的补码为:11111111     11111111     11111111     11111111

存储到char类型中要发生截断,因此a,b中存储的数据为11111111,打印a和b时打印的是%d形式要发生整型提升,应补最高符号位到32位,就又变成了 11111111 11111111 11111111 11111111,但此时这个二进制是补码,打印时要变成原码,变成10000000 00000000 00000000 00000001 ,即-1.

而c为255,因为c的类型是无符号(unsigned)char类型,-1的补码11111111 11111111 11111111 11111111截断后变为11111111,打印时发生整型提升,又因为无符号,所以整型提升时不认同1,要补0, 即00000000 00000000 00000000 11111111,而正数的原码和补码相同,所以这就是c的原码,转换为十进制打印即是255.

2.

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

结果为4294967168

-128的补码是11111111 11111111 11111111 10000000,发生截断后存储到c中的是10000000
因为a是有符号char,又因为后面要打印,所以发生整型提升,且补最高位符号位1,整型提升后变为11111111 11111111 11111111 10000000。又要以%u形式打印,所以此时的补码就等于原码,因此就打印11111111 11111111 11111111 10000000对应的十进制数,即4294967168.

3.

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

结果为4294967168

与第二题类似,这里只是把a从-128变成了128,128的原码为10000000 00000000 00000000 10000000,正数的原码、反码、补码相同,要打印就发生截断,a变为10000000,此时后面与上一题相同,都要补1,然后因为%u打印,补码相当于原码,直接打印11111111 11111111 11111111 10000000对应的十进制数,即4294967168.

4.

#include <stdio.h>int main()
{int i = -20;unsigned int j = 10;printf("%d\n", i + j);return 0;
}

结果为-10

-20的补码:    11111111  11111111   11111111   11011000
10的补码:     00000000 00000000 00000000 00001010
相加后补码:  11111111   11111111   11111111   11110110
转换为原码 : 10000000 00000000 00000000 00001010  

转换为十进制结果为:-10

5.

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

结果会死循环打印,9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 4294967295 4294967294......

因为unsigned是无符号数,又要让i>=0,所以一定会死循环,

而当i变为0,再i--时,正常应该变成-1,

-1的补码为11111111 11111111 11111111 11111111,但是要打印无符号数,所以不认同符号位的1,

所以结果就为11111111 11111111 11111111 11111111对应的十进制的正结果,即4294967295.

6.

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

结果为255(128+127=255)


有符号的char类型是-128~127,无符号的char类型的范围是0~255.

strlen遇到0就会停止,但不包括0,因此i从0开始,第一个数为-1-0=-1,接着为

-2 -3 ... -127 -128 127 126... 2 1 0,此时不算0一共有255个.

7.

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

结果为死循环。

因为无符号类型的char的范围是0~255,永远<=255,所以会死循环的打印下去。

三. 浮点型在内存中的存储

1.浮点数存储规则

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

(1)IEEE 754规定:

1.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
2.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

(2)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
24 位有效数字。

(3)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 8 位,它的取值范围为 0 255 ;如果 E 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 E 10 ,所以保存
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:

1.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  

2.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。

3.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) 

2.练习题

#inlucde <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;
}
结果为9
           0.000000
           1091567616
           9.000000
那么为什么会有这个输出结果呢:
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
浮点数 9.0 ,如何用二进制表示?还原成十进制又是多少呢
首先,浮点数 9.0 等于二进制的 1001.0 ,即 1.001×2^3
那么,第一位的符号位 s=0 ,有效数字 M 等于 001 后面再加 20 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 这个32 位的二进制数,还原成十进制,正是 1091567616
0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000
这个 32 位的二进制数,还原成十进制,转换后就是 1091567616。
好啦,本篇对于内存的学习就到此结束了。