深度分析数据在内存中的存储形式

深度分析数据在内存中的存储形式文章目录一、数据的基本类型介绍二、整型在内存中的存储形式1.原码、反码、补码2.大小端介绍3.浮点型在内存中的存储一、数据的基本类型介绍char//字符数据类型short//短整型int//整形long//长整型longlong//更长的整形float//单精度浮点数double//双精度浮点数二、整型在内存中的存储形式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:inta=20

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。


一、数据的基本类型介绍

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

二、整型在内存中的存储形式

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:

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“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。
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。

int a = 20;
int b = -10;
int* p = &a;
int* q = &b;

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这组数据中,会发现数据的存储顺序是倒着的
这是又为什么?

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。

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;
     }
     //代码2
     int check_sys()
     { 
       
     union   
      { 
   
         int i;
         char c;
       }un;    
       un.i = 1;   
       return un.c;
       }

3.浮点型在内存中的存储

常见的浮点数:
3.141591
E10
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

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. (-1)^S * M * 2^E
  2. (-1)^s 表示符号位,当s=0,V为正数;当s=1,V为负数
  3. M表示有效数字,大于等于1,小于2
  4. 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。
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。
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,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。

然后,指数E从内存中取出还可以再分成三种情况:
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

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。

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);
好了,关于浮点数的表示规则,就说到这里。

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