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深度剖析数据在内存中的存储(修炼内功~吊打面试官)


🌈前言

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(꒪ꇴ꒪(꒪ꇴ꒪ )😉 我是Scort
快上车,握好方向盘跟我有一起打天下嘞!
想送给大家一句话:
🔥我们的选择决定我们成为怎样的人,而我们永远有权利去做 对的选择。
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数据在内存中的存储

  • 🌈前言
  • 一、🌟数据类型介绍
    • 🌽类型的基本归类
      • 🍋整型家族
      • 🍋浮点型家族
      • 🍋构造类型
      • 🍋指针类型
      • 🍋空类型
  • 二、🌽整数在内存中的存储
    • 🍋原码,反码,补码
    • 🍋大小端介绍
    • 🍋小练习
  • 三、🌽 浮点型在内存中的存储
    • 🍋举个例子
    • 🍋浮点数存储规则
    • 🤔突发奇想
  • 🏆

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一、🌟数据类型介绍

前面我们已经学习了基本的内置类型:

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 //双精度浮点型
注意: C语言中没有字符串类型

🌽类型的基本归类

🍋整型家族

char:
unsigned char
signed char
short:
unsigned short [int]
signed short [int]
int:
unsigned int
signed int
long:
unsigned long [int]
signed long [int]

其中char虽然是字符类型,但是字符类型存储的时候,存储的字符的ascii码是整数

char c1;signed char c2; unsigned char c3;

敲黑板:1、C语言不确定char是有符号还是无符号的?是取决于编译器的实现
2、C语言中规定int等价于signed int、short等价于signed short

这里我们来解释一下什么是有符号,无符号↓
在这里插入图片描述在这里插入图片描述

🍋浮点型家族

float
double
long double

🍋构造类型

构造类型(自定义类型)

数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

int arr[10]中 arr的类型是int [10],同理char arr3[4]的类型是char [4]
其中int a[]={0,0,0}的类型是int [3]

🍋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。
void 则为“无类型指针”,void 可以指向任何类型的数据。

注意!!!:
1、如果函数没有返回值,那么应声明为void类型
2、如果函数无参数,那么应声明其参数为void。
3、小心使用void指针类型,不能对void指针进行算法操作
4、如果函数的参数可以是任意类型指针,那么应声明其参数为void *
5、void不能代表一个真实的变量

若想更加详细了解void用法可以阅读C/C++中void用法总结进行更深入的研究。

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二、🌽整数在内存中的存储

我们知道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?

int a = 10;int b = 20;

我们知道为a分配四个字节的空间,那如何存储呢?接下来了解一下下面的概念↓

🍋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。
三种方法均有符号位数值位两部分,符号位 0 表示“正”, 用1 表示“负”。
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了。
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。
正数的原码、反码、补码相同。

对整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码。
为什么呢?

1、使用补码可以将符号位和数值域统一处理
2、加法和减法可以统一处理(CPU只有加法器
3、补码和原码互相转化,其运算过程是相同的,不需要额外的电路。

举个例子:

    1 - 1;1+(-1)  CPU只有加法器使用原码计算000000000000000000000000000000011000000000000000000000000000000110000000000000000000000000000010  算出来是-2使用补码的二进制计算00000000000000000000000000000001   (1)11111111111111111111111111111111   (-1)补码100000000000000000000000000000000  只保留3200000000000000000000000000000000   所以为010000000000000000000000000000001   (-1)原码11111111111111111111111111111110   (-1)反码11111111111111111111111111111111   (-1)补码

由此可见用原码计算1-1并不为零,而用补码可计算出正确值。

接下来我们看看在内存中的存储:

在这里插入图片描述

我们可以看见对于a和b分别存储的是补码。 可是有没有觉得不对劲吗?为什么数字是反过来排列的?难道不是应该是 00 00 00 14和 ff ff ff f6 吗?

这里就要引入小端存储和大端存储。

🍋大小端介绍

什么是大端小端?

大端字节序存储: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;
小端字节序存储: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;

在这里插入图片描述

对于16进制0x11223344来说,44是最低位的字节数据,33是次低位。

但为什么会有大端小端呢?

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

答:因为必然存在着一个如何将多个字节安排。

🍋小练习

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

🥃解题思路:通过char*来访问1的首字节判断是否为1在这里插入图片描述

📜代码实现

int main(){int a = 1;char*p=(char*)&a;//要对&a进行类型转化if (*p == 1){printf("小端\n");}else {printf("大端\n");}return 0;}

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三、🌽 浮点型在内存中的存储

常见的浮点数:
3.14159
1E10
浮点数家族包括: float、double、long double 类型。
浮点数表示的范围:float.h中定义

🍋举个例子

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;}

输出的结果的什么呢?
深度剖析数据在内存中的存储(修炼内功~吊打面试官)
num 和 *pFloat 在内存中明明是同一个数,为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大?跟我来吧🌋

🍋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

😈举两个例子:↓

十进制的5.5,转化成二进制就变成了101.1,用科学计数法表示就是 1.011 * 2^2 。那么,按照上面的格式,可以得出S = 0, M = 1.011,E = 2 。在这里插入图片描述
同理十进制的9.0,转化成二进制就变成了1001.0,用科学计数法表示就是 1.001 * 2^3 。那么,按照上面的格式,可以得出S = 0, M = 1.001,E = 3 。在这里插入图片描述

IEEE 754规定

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。
在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述

IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别规定:

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,等于可以保存24位有效数字。

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为8位,它的取值范围为0 ~ 255;如果E为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(修正值)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 。这个是IEEE 754 的死规定(只能死记啦)
比如,2^10的E是10,所以保存成32位浮点数时,必须保存成10+127=137,即10001001。

😈举个例子:

这里是引用
发现在内存中的地址果然是0x40b00000在这里插入图片描述

指数E从内存中取出还可以再分成三种情况:
1️⃣E不全为0或不全为1 →(怎么样放怎么样拿出来)

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

2️⃣E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。
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3️⃣E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);

好了,关于浮点数的表示规则,就说到这里。
解释前面的题目:

这里是引用
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

🤔突发奇想

既然浮点数的储存不能精确存储,那数据会不会不准确呢🤔

因为浮点数存储会有误差,所以不能直接相比较,应该比两者之间的差值是否在允许的范围内

float f = 0.00001;if (f - 0.0){}return 0;

如果同学们还想了解更多细腻的知识,可以看比特蛋哥~深入解刨的视频

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