C語言中數(shù)據(jù)在內(nèi)存中是怎么存儲的

本篇文章為大家展示了C語言中數(shù)據(jù)在內(nèi)存中是怎么存儲的，內(nèi)容簡明扼要并且容易理解，絕對能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細介紹希望你能有所收獲。

數(shù)據(jù)類型

常見的數(shù)據(jù)類型

注意：

• C語言里面沒有字符串類型

• 關(guān)于int和long的大小：C語言只是規(guī)定了：sizeof(long)>=sizeof(int)

• 布爾類型（_Bool）（C99引入）專門用來表示真假,但是在C語言中不需要布爾類型也可以表示真假

#include<stdbool.h>
int main()
{
    _Bool flag = false;
    _Bool flag2 = true;
    if(flag)
    {
        printf("haha\n");
	}
    if(flag2)
    {
        printf("hehe\n");
	}
return 0;
}//只打印了hehe

類型的基本歸類

整形

char也屬于整形（每一個字符在儲存的時候是儲存他所對應(yīng)的ascll值，ascll是整數(shù)）

有符號數(shù)和無符號數(shù)

有符號數(shù)

int main()
{
	int a = 10;
    int a = -10;
	return 0;
}//a是一個有符號數(shù)，它可以儲存正負整數(shù)

//int ===> signed int
//short ===> signed short
//long ===> signed long

無符號數(shù)

有一些變量只有正數(shù)由意義，例如年齡，價格。定義這些變量的時候就可以用無符號數(shù)定義 ，無符號數(shù)只能存儲正數(shù)。

int main()
{
    unsigned int a = 10;
    //無符號變量只能儲存正數(shù)
    a = -10;
    //即使這里輸入了一個負數(shù)，它也會把這個負數(shù)轉(zhuǎn)化成一個正數(shù)（不是簡單的去掉符號，這是關(guān)于二進制的計算）
    return 0;
}

是否char 等于signed char呢？

答案：取決于編譯器

• 我們會發(fā)現(xiàn)這樣一件事：
  int 就是 signed int
  short 就是 signed short
  long 就是 signed long

• char 等于signed char還是unsigned char 取決于編譯器，不同的編譯器可能是不同的結(jié)果，常見的編譯器下是等于signed char

對于有符號數(shù)字和無符號數(shù)字的打印

打印無符號數(shù)應(yīng)該用%u

%u和%d打印的解讀方式不同：

• 使用%d 時，會認為這是一個有符號數(shù)，打印的時候會認為二進制中第一位是符號位;

• 使用%u時，會認為這是一個無符號數(shù)據(jù)，會認為整個二進制序列都是有效位。

#include<stdio.h>
int main()
{
    unsigned int a = 10;
    printf("%u",a);//正確的形式
    
    //如果存儲了一個-10進去會怎么樣
    a = -10;
    printf("%u",a);
    //會打印4294967286，而這個數(shù)據(jù)不是隨機數(shù)
    return 0;
}

為什么無符號整形儲存 -10 的時候會打印出來4284967286（并不是隨機數(shù)）？

%u在解讀的時候認為此時a仍然存儲的是正數(shù)，解讀了a的補碼。在本章后面介紹原反補嗎的時候在詳細解釋細節(jié)。

浮點型

構(gòu)造類型（自定義類型）

指針類型

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

整形在內(nèi)存中的存儲

int a = 10;
int b = -10;

然后我們觀察a、b在內(nèi)存中的儲存

數(shù)據(jù)在內(nèi)存里面是以二進制儲存的，但是編譯器是以十六進制展現(xiàn)給我們看的：

a在內(nèi)存中的值是 ：0a 00 00 00

b在內(nèi)存中的值是： f6 ff ff ff

為什么是這樣的值呢？下面介紹整數(shù)的原碼、反碼、補碼。

原碼，反碼，補碼

整數(shù)二進制有3種表示形式，而內(nèi)存中存儲的是二進制的補碼

例如 1 的原碼：

00000000 00000000 00000000 00000001

正整數(shù)

正整數(shù)的原碼、反碼和補碼相同

負整數(shù)

• 原碼：按照一個數(shù)的正負直接寫出來的二進制就是原碼

• 反碼：符號位不變，其他位按位取反 (并不是按位取反)

• 補碼：反碼的二進制序列加1

從原碼轉(zhuǎn)換成補碼：先取反再加一。

從補碼轉(zhuǎn)換成原碼：可以先減一再取反，也可以先取反再加一（和原碼轉(zhuǎn)換成補碼的過程相同）。

解釋為什么%u打印-10；會出現(xiàn)4294967286

用上面的方法我們就可以計算出-10的補碼：

回到最開始使用%u打印-10會打印成4294967286，是因為在使用%u的時候，不會解讀符號位，會將整個32位二進制都當作有效位，讀出一個數(shù)據(jù)，而這個數(shù)據(jù)就是4294967286。

同時回到剛才a,b的值

int main()
{
int a = 10;
int b = -10;
    //a: 00000000 00000000 00000000 00001010
    //b: 11111111 11111111 11111111 11110110
}
//四個二進制位轉(zhuǎn)換成一個十六進制位
//a: 00 00 00 0a
//b: ff ff ff f6

為什么和在內(nèi)存界面看到的不同呢？

內(nèi)存界面和我們計算出來的順序是相反的:

為什么會倒著存進去？

這就和字節(jié)序有關(guān)，下面我們來了解字節(jié)序

大小端字節(jié)序

當儲存的內(nèi)容超過一個字節(jié)的時候，儲存的時候就有順序

（一個char類型的數(shù)據(jù)是沒有字節(jié)序。char類型的數(shù)據(jù)只有一個字節(jié)，沒有順序）

機器有兩種對字節(jié)的存儲順序：

• 大端字節(jié)序存儲：
  低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在高地址處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址處

• 小端字節(jié)序存儲
  低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在高地址處

我們用下面這個例子來解釋：

int main()
{
    int a = 0x11223344;//0x開頭說明是十六進制數(shù)字
    //再內(nèi)存界面看到：44 33 22 11
   
    return 0;
}

而我在觀察內(nèi)存的時候發(fā)現(xiàn)我的機器是按照方式2進行存儲的，所以我的機器是采用的小端字節(jié)序。

那么有什么方法可以快速判斷自己當前使用的機器屬于哪一種字節(jié)序呢？

設(shè)計一個小程序判斷當前機器屬于哪種字節(jié)序

#include<stdio.h>
int main()
{
    int a = 1;
    //a的十六進制是 00 00 00 01
    //如果是大端那么內(nèi)存中為：00 00 00 01
    //如果是小端那么內(nèi)存中為：01 00 00 00
    //只需要判斷第一個字節(jié)的內(nèi)容是不是1
    char*pc = (char*)&a;
    //強制類型轉(zhuǎn)換截取了a的第一個字節(jié)
    if(*pc)//也可以是：if(*(char*)&a)
    {
        printf("小端");
	}
    else
    {
        printf("大端");
	}
        
	return 0;
}

儲存時數(shù)據(jù)發(fā)生截斷以及整型提升

例題1

int main()
{
	char a = -1;
	signed char b = -1;
	unsigned char c = -1;
	printf("%d %d %d ",a,b,c);//會打印出-1 -1 255
    return 0;
}

解釋：

• 第一步：
  這里我們將三個相同的整數(shù) -1 分別存進了兩種類型的變量，（在我所使用的VS2019編譯器下char和signed char等價），而這兩種類型又都屬于char類型

• 第二步：
  char 類型的變量只能儲存一個字節(jié)（8個比特位）大小的數(shù)據(jù)，但是 -1 是整形（包含32個比特位），
  這里就需要發(fā)生數(shù)據(jù)截斷： -1 的二進制補碼是11111111 11111111 11111111 11111111
  截斷：將補碼的最后八位賦值給變量a、b、c。

• 第三步：
  這里需要將char類型的數(shù)據(jù)以%d的方式打印，但是%d只能解讀整數(shù)數(shù)據(jù)（整數(shù)有四個字節(jié)），而char類型的三個變量都只有一個字節(jié)，所以這里會發(fā)生整型提升：
  整形提升：對于有符號數(shù)據(jù)，高位補符號位，對于無符號數(shù)據(jù)：高位補0

%d打印的時候會認為這就是要打印數(shù)據(jù)的補碼，按照打印正常整數(shù)的形式打印這三個變量

例題2

#include<stdio.h>
int main()
{
    
    char a = -128;
    printf("%u",a);//會打印4294967168
    return 0;
}

解釋：

• 第一步：
  觀察數(shù)據(jù)： -128 是一個整數(shù)，二進制有32位 ： 但是接受這個數(shù)據(jù)的變量是一個char類型的變量（只能接受8個比特位）

• 第二步：
  數(shù)據(jù)的截斷：

聯(lián)想：這里如果是a = 128,那么階段后的值仍然是10000000

• 第三步：
  打印整數(shù)（四個字節(jié)），所以這里需要發(fā)生整形提升（a是有符號char,高位補符號位）

• 第四步：
  %u的形式打印這個變量，因為%u應(yīng)該打印的是無符號整數(shù)，且打印的時候認為整個32位全為有效位，
  就會打印出4294967168

浮點型在內(nèi)存中的存儲

注意：

• 在浮點型數(shù)據(jù)后面加了f是float類型，不加則默認是double類型

• %f和%lf默認小數(shù)點后六位

浮點型和整形在內(nèi)存中的儲存方式不同

我們通過下面這個例題來探究浮點型和整形在內(nèi)存中的儲存方式有什么不同

#include<stdio.h>
int main()
{

	int n = 9;
	float* pf = (float*)&n;
    //第一組
	printf("n = %d\n", n);    //打印出：9
	printf("*pf = %f\n", *pf);//打印出：0.000000
	//第二組
	*pf = 9.0;
	printf("n = %d\n", n);	  //打印出：1091567616
	printf("*pf = %f\n", *pf);//打印出：9.000000

	return 0;
}

為什么會出現(xiàn)這樣的情況？

回答這個問題前，先來了解浮點型的二進制存儲形式：

國際標準電氣電子工程師學會（IEEE）：任何一個二進制浮點數(shù)V都可以表示成下面的形式

• 表示形式：（-1）^S * M * 2^E

• (-1)^S表示符號位，當S為0 時表示正數(shù)，當S為1時，表示負數(shù)

• M表示有效數(shù)字，大于等于1，小于等于2

• 2^E表示指數(shù)位

十進制浮點數(shù)：5.5
轉(zhuǎn)化成二進制：101.1
可以寫成：(-1)^0 * 1.011 * (2^2)
S = 0
M = 1.011
E = 2
只需要儲存SME三個值

• IEEE浮點數(shù)標準定義了兩種基本的格式：以四個字節(jié)表示的的單精度格式和八個字節(jié)表示的雙精度格式

單精度浮點數(shù)儲存格式（32位）

雙精度浮點數(shù)儲存格式（64位）

IEEE754對于有效數(shù)字Ｍ和指數(shù)Ｅ有一些特別的規(guī)定：

• 關(guān)于M:
  1.我們已經(jīng)知道１＜＝M＜２，也即是說Ｍ一定可以寫成這樣的形式：１.xxxxxx
  其中xxxxxx表示小數(shù)點后面的部分
  2.在計算機內(nèi)部儲存Ｍ時，由于第一位總是１，所以把這個１省略，只保存后面的小數(shù)部分，這樣可以節(jié)約一位有效數(shù)字，這樣的話儲存的數(shù)據(jù)精度就可以提升一位：例如在單精度浮點型存儲格式中，最后23位作為有效位，但是儲存在計算機的數(shù)據(jù)精度是24位

• 關(guān)于Ｅ：
  計算機會認為這是一個無符號數(shù)，但是十幾行會存在很多Ｅ取負數(shù)的情況，所以IEEE754規(guī)定:存入內(nèi)存時，E的真實值必須在加上一個中間數(shù) ，對于單精度，這個中間數(shù)（也叫做偏移量）是127，對于雙精度，這個中間數(shù)是1023
  例如：對于十進制的數(shù)字0.5，它的二進制是0.1，E= -1；那么我們就需要把-1在加上127得到126后，將126儲存在指數(shù)位

拿出這些儲存的數(shù)據(jù)(三種情亂)

情況一：E不全為0或不為全１

• E: 指數(shù)位值減去127（1023）得到真實值

• M: 有效位的數(shù)值前面加上1.

情況二：E全為0

• E:
  真實的E是一個十分小的數(shù)字，接近0；
  這時候不用計算，E直接就等于1-127（1-1023）就是它的真實值

• M:
  M不再在前面加上1，而是還原成0.XXXXXX的小數(shù)，這樣做是為了表示正負０，以及接近于0的很小的數(shù)字。

情況三：E為全1

• 真實的E是一個十分大的數(shù)字，代表正負無窮大的數(shù)字

解釋上面的例子

• 第一組為什么以%f打印整數(shù)9，會打印出0.000000？

原因：

此時E為全0，是一個會被判定成一個十分小的數(shù)據(jù)，所以打印0.000000

• 為什么第二組中以%d的形式打印*pf時，會打印出1091567616？

上述內(nèi)容就是C語言中數(shù)據(jù)在內(nèi)存中是怎么存儲的，你們學到知識或技能了嗎？如果還想學到更多技能或者豐富自己的知識儲備，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。