柚子快報邀請碼778899分享：C語言詳解（數(shù)據(jù)存儲）

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????????Hi~！這里是奮斗的小羊，很榮幸各位能閱讀我的文章，誠請評論指點，歡迎歡迎~~? ? ?

?????????????????????????????????????????????????個人主頁：小羊在奮斗

?????????????????????????????????????????????????所屬專欄：C語言? ?

????????本系列文章為個人學(xué)習(xí)筆記，在這里撰寫成文一為鞏固知識，二為一些學(xué)友們展示一下我的學(xué)習(xí)過程及理解。文筆、排版拙劣，望見諒。?

????????????????????????????????1、大小端字節(jié)序和字節(jié)序判斷

????????????????????????????????2、浮點數(shù)在內(nèi)存中的存儲

????????????????????????????????????????????????2.1浮點數(shù)存的過程

????????????????????????????????????????????????2.2浮點數(shù)取的過程

1、大小端字節(jié)序和字節(jié)序判斷

? ? ? ? 在?C語言（操作符）1?中，我們介紹了整數(shù)在內(nèi)存中的存儲，但是我們只介紹了整數(shù)的存儲形式，并沒有介紹整數(shù)是如何存儲的，那本節(jié)我們就來探討一下整數(shù)在內(nèi)存中究竟是怎么存儲的。

? ? ? ? 當(dāng)我們想把0x11223344這個數(shù)存到一個整型變量a中時，因為整型數(shù)據(jù)的大小是4個字節(jié)，以字節(jié)為單位存儲，那么11占一個字節(jié)，22占一個字節(jié)，33占一個字節(jié)，44占一個字節(jié)，假設(shè)從低地址向高地址存儲，那先存11還是先存44就是一個問題。其實超過一個字節(jié)的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲的時候，就有存儲順序的問題，按照不同的存儲順序，我們分為大端字節(jié)序存儲和小端字節(jié)序存儲。

? ? ? ? 也就是說，大端字節(jié)序存儲是地址由低到高依次存高位，小端字節(jié)序存儲是地址由低到高依次存低位。

? ? ? ? ?我們之前可能會疑惑VS中整數(shù)在內(nèi)存中為什么是反著存的，那這里就給了我們解釋，VS所在的當(dāng)前計算機系統(tǒng)使用的是小端字節(jié)序存儲，而大多數(shù)計算機架構(gòu)使用的都是小端字節(jié)序存儲。

? ? ? ? 如果我們想知道當(dāng)前的機器使用的是哪種存儲方式，可以寫一個簡單的判斷小程序來實現(xiàn)。當(dāng)我們在一個整型變量中存一個整數(shù)1時，如果當(dāng)前機器是大端字節(jié)序存儲，那么它存的就是? ? ? ? ?00 00 00 01，如果當(dāng)前機器是小端字節(jié)序存儲，那么它存的就是 01 00 00 00。既然如此，我們只需要將這個整型變量最小字節(jié)中的數(shù)據(jù)拿出來，看這個最小字節(jié)單元中存的數(shù)是0還是1，如果是0就是大端字節(jié)序存儲，反之則為小端字節(jié)序存儲。

? ? ? ? 了解了大小端存儲，我們來做一些練習(xí)加深理解。

? ? ? ? 練習(xí)1?

? ? ? ? 上面代碼的輸出結(jié)果是什么呢？（其實我們在C語言（操作符）2中的表達式求值部分已經(jīng)學(xué)習(xí)過）我們來分析一下：

? ? ? ? 我們想將整數(shù)-1存入一個字符型變量a中，整型和字符型不兼容，通過C語言（操作符）2的學(xué)習(xí)我們知道要發(fā)生截斷，所以只將-1的補碼的后8位存到a中，我們又用%d（打印有符號整型）打印字符型變量a，那%d就認為它打印的數(shù)是整型，a不是整型所以要發(fā)生整型提升，a是char（signed char）類型，整型提升高位補符號位，補完后還是32個1，取反加一得原碼又變?yōu)榱?1，最終結(jié)果就打印出了-1，因為在VS中char和signed char是一樣的，所以打印b也就同樣的道理。

? ? ? ? 而我們將整數(shù)-1存入一個無符號字符型變量c中，截斷只存入-1的補碼的后8位，用%d打印需要整型提升，而c是無符號字符型，整型提升高位補0，補完后用%d打印時%d看它就是一個比較大的正數(shù)，原反補相同，00000000000000000000000011111111就是255。

? ? ? ? 練習(xí)2?

? ? ? ? 將整數(shù)-128（補碼：11111111111111111111111110000000）存入（signed）char類型a中，截斷后a中存的是10000000，用%u（打印無符號整數(shù)）打印需要整型提升，a為signed char所以高位補符號位，補完就是11111111111111111111111110000000，目前還是補碼，但是在%u眼中無符號整形原反補相同，所以%u再以原碼打印出來就是4294967168。

? ? ? ? 將a改為128，結(jié)果還是一樣的，因為它們截斷的結(jié)果是一樣的。

? ? ? ? 至于為什么對a存-128還是128結(jié)果是一樣的，這里再做一個解釋：

? ? ? ? 我們很早就知道，（signed）char類型的取值范圍是：-128~127?，但是為什么是這個范圍并沒有解釋。char類型占一個字節(jié)也就是8個比特位，最高位當(dāng)做符號位來看待，就剩下了7位存0、1值。

? ? ? ? 在C語言（操作符）2中，我們還畫了這樣一個圖，并做了相應(yīng)解釋。

? ? ? ? 127+1在數(shù)學(xué)上是128，但在char類型中就是-128，因為char類型最大的正數(shù)就是127，所以給char類型存128和-128是一樣的。其他的類型都是這樣的道理。

? ? ? ? 練習(xí)3?

?

? ? ? ? 創(chuàng)建一個字符數(shù)組大小1000，向數(shù)組中存入-1、-2、-3..，然后strlen求字符數(shù)組a的長度。我們知道strlen是求字符串的長度，統(tǒng)計的是\0之前的字符個數(shù)，那看來意思就是讓我們找字符‘\0’了又因為a是字符數(shù)組所以-1、-2、..、-127、-128、127、126、...、2、1、0，0在字符眼中就是\0，所以求的是-1~0的長度，是255。

?

? ? ? ? 練習(xí)4?

? ? ? ? unsigned char的范圍是0~255，所以上面的代碼給我們的感覺就是打印255個hello world，但事實真是如此嗎？當(dāng)我們運行起來就會發(fā)現(xiàn)程序陷入了死循環(huán)。這是因為當(dāng)i加到256時雖然此時不滿足循環(huán)了，但是這時候的256只是數(shù)學(xué)上的256，而在unsigned char眼中255+1就變成了0，所以循環(huán)繼續(xù)。

? ? ? ? 上面這個代碼也是如此，當(dāng)i為0時，0-1就變成了2^32-1，因為在unsigned int的世界里沒有負數(shù)，所以程序陷入了死循環(huán)。

? ? ? ? 練習(xí)5

? ? ? ? 創(chuàng)建一個整型數(shù)組大小4，&a取出整個數(shù)組的地址再+1跳過整個數(shù)組指向數(shù)組末尾，此時指針（地址）的類型是int (*) [4]，再強轉(zhuǎn)為 int * 類型的指針賦給ptr1，ptr1[-1]（ *(ptr -1) ）就是int *類型的指針-1向后推4個字節(jié)指向數(shù)組最后一個元素4，再解引用用%x（打印16進制）打印出來就是4。

? ? ? ? 數(shù)組名a表示數(shù)組首元素的地址，強轉(zhuǎn)為int類型的整數(shù)再+1，再強轉(zhuǎn)為int *類型的指針，最終的結(jié)果就是數(shù)組首元素的地址+1（整數(shù)+1），注意ptr2是一個整型類型的指針，所以它訪問的是4個字節(jié)的地址。

?

? ? ? ? 我們又知道小端字節(jié)序是反著存的，所以ptr2指向的數(shù)值就是02 00 00 00，打印出來就是2000000。

? ? ? ? 如果我們想把代表16進制的0x也打印出來，可以在%的后面加上#。

2、浮點數(shù)在內(nèi)存中的存儲

? ? ? ? 2.1浮點數(shù)存的過程

? ? ? ? 浮點數(shù)和整數(shù)在內(nèi)存中的存儲有什么區(qū)別嗎？

? ? ? ? 如果用我們學(xué)到的整數(shù)存儲的方法來解讀上面的代碼，打印出來的結(jié)果應(yīng)該就是9、9.000000、9、9.000000。

? ? ? ? 但結(jié)果并不是這樣，通過觀察我們發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)n是整數(shù)9時用%d打印的結(jié)果和當(dāng)n是浮點數(shù)9.0時用%f打印的結(jié)果是我們預(yù)料中的，所以可以肯定的是整數(shù)和浮點數(shù)在內(nèi)存中的存儲是不一樣的。

? ? ? ? 那浮點數(shù)在內(nèi)存中是怎么存的呢？根據(jù) IEEE 754規(guī)定，任意一個二進制浮點數(shù)V可以表示為這樣的形式：V=(-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為負數(shù)。M表示有效數(shù)字，M是大于等于1小于2的。2^E表示指數(shù)位。

? ? ? ? 比如十進制的5.5，寫成二進制就是101.1，轉(zhuǎn)化的方法是按位權(quán)來轉(zhuǎn)化，小數(shù)點前面的位權(quán)是2的1次方、2的2次方、2的3次方....，小數(shù)點后面的位權(quán)是2的-1次方、2的-2次方、2的-3次方......。十進制的5.5二進制表示101.1用科學(xué)計數(shù)法表示就是1.011*2^2，又因為5.5是正數(shù)，所以用IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)表示就是：(-1)^0*1.011*2^2。其中的S=0，M=1.011，E=2。

? ? ? ? 任何一個浮點數(shù)都可以用S、M、E這三個值來表示，所以浮點數(shù)的存儲，存儲的就是S、M、E 相關(guān)的值。

? ? ? ? IEEE 754規(guī)定：

? ? ? ? 對于32位的浮點數(shù)（float），最高的1位存儲符號位S，接著的8位存儲指數(shù)E，剩下的23位存儲有效數(shù)字M。

?????????對于64位的浮點數(shù)（double），最高的1位存儲符號位S，接著的11位存儲指數(shù)E，剩下的52位存儲有效數(shù)字M。

? ? ? ? IEEE 754對有效數(shù)字M和指數(shù)E還有一些特別規(guī)定。?

? ? ? ? 前面說過，1<=M<=2，所以M總是1.xxxxx，IEEE 754規(guī)定，在計算機內(nèi)部保存M時，默認這個數(shù)的第一位是1，因此1可以舍去，只保存小數(shù)點后面的xxxxx，讀取的時候再把第一位的1加上就行。這樣做的目的是節(jié)省1位有效數(shù)字，使存儲的精度更高。?

? ? ? ? E作為一個無符號整數(shù)，如果E為8位，它的取值范圍是0~255；如果E為11位，它的取值范圍是0~2047。但是在科學(xué)計數(shù)法中指數(shù)有可能是負數(shù)，所以 IEEE 754規(guī)定，存入內(nèi)部的E的真實值必須再加上一個中間數(shù)，對8位的E這個中間數(shù)是127；對11位的E這個數(shù)是1023。比如2^10的E是10，保存成32位的浮點數(shù)時，必須保存成137，即10001001。我們也不用擔(dān)心加上這個中間數(shù)后E的值還不能為正數(shù)，因為當(dāng)E非常小時已經(jīng)無限接近于0了，而float和double也是有精度限度的。

? ? ? ? 比如float類型的5.5在內(nèi)存中的存儲就是：

?

? ? ? ? 本計算機系統(tǒng)采用的是小端字節(jié)序存儲。?

? ? ? ? 2.2浮點數(shù)取的過程

? ? ? ? 指數(shù)E從內(nèi)存中取出的過程可分為三種情況：

? ? ? ? E不全為0或不全為1（常規(guī)情況）

? ? ? ? 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。

? ? ? ? E全為0（罕見）

? ? ? ? 這時，浮點數(shù)的指數(shù)E等于1-127或1-1023即為真實值，有效數(shù)字M不再加上第一位的1，而是還原為0.xxxxx的小數(shù)。這樣做是為了表示+-0，以及無限接近于0的極小的數(shù)字。

? ? ? ?E全為1（罕見）

? ? ? ? 這時，E的真實值為255-127=128，這又是一個極大的數(shù)，大到我們無法想象，所以就不去討論它了。

? ? ? ? 了解清楚了浮點數(shù)在內(nèi)存中的存取后，我們再來分析一下前面的那個代碼。

? ? ? ? 創(chuàng)建一個整型變量n賦值為9，用%d打印時就按常規(guī)打印出整數(shù)9。我們再取出n的地址將其強轉(zhuǎn)為float *類型的指針再賦給pfloat，再解引用pfloat用%f打印，9在內(nèi)存中的補碼是：

00000000000000000000000000001001，而pfloat是float *類型的指針，所以pfloat就認為它指向的數(shù)是一個浮點數(shù)，就會按浮點數(shù)存取的規(guī)則來讀取，在pfloat眼中整數(shù)9的補碼是這個樣子：

? ? ? ? S=0，E為全0，那這個值就是一個極小的正數(shù)，無限接近于0，而float只能打印小數(shù)點后6位，所以打印的結(jié)果應(yīng)該就是0.000000。

? ? ? ? 而將9.0存到float *類型的地址中時，9.0用二進制表示為：1001.0，根據(jù) IEEE 754 規(guī)定，S=0，M=1.001，E=3，那在內(nèi)存中的存儲就應(yīng)該是下面這個樣子的：

? ? ? ? 用%d打印時%d就認為這是一個很大的正數(shù) ，原反補相同。而用%f打印就是正常的9.000000。

? ? ? ? 本節(jié)內(nèi)容并不需要我們死記硬背，只需要知道整數(shù)和浮點數(shù)在底層是怎么存取的，又有什么差異，當(dāng)某天我們錯用格式符打印不同類型的值時，我們要知道是怎么回事，要會分析，為什么會輸出這個值，這個值是隨機的還是有它的道理的就行。

? ? ? ? 只要我們遵守規(guī)則，有符號整數(shù)就用%d打印，無符號整數(shù)就用%u打印，float類型就用%f打印，double類型就用%lf打印，size_t類型就用%zd打印……就行。

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