c语言自学教程——深度剖析数据在内存中的存储(前篇)

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目前在不断更新《c语言自学教程》
未来会讲到《数据结构算法》,《C++语言》,《Linux系统编程》,《Linux网络编程》,《MySQL数据库》等。
期待系统学习编程的小伙伴可以关注我,不错过!

1. 数据类型介绍

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

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
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。 那接下来我们谈谈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 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。

在这里插入图片描述

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。 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。(这里理解为补码除符号位之外的位按位取反再加一就能得到原码,可以自己试试) 我们看看在内存中的存储: 在这里插入图片描述 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。

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8bit。 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。(10分)

//代码1
#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;
}


2.3 练习

//输出什么?
#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;
}

答案:a=-1,b=-1,c=255 在这里插入图片描述 整型提升时有符号数按符号位补齐位数作为补码,无符号数在前面加0补齐位数 2.

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

答案:4294967168 请添加图片描述

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

答案:4294967168 解析跟上一题差不多 4.

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

答案:-10 请添加图片描述

unsigned int i;
for(i = 9; i >= 0; i--)
{
	printf("%u\n",i);
}

部分答案: 请添加图片描述 程序死循环 原因:unsigned int没有负数,原理类似于下图请添加图片描述

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

答案:255 strlen遇0停止 请添加图片描述