一篇文章带你弄懂数据的存储(C语言)

2023-05-16

前面我们已经初步了解了数据类型,接下来我们就详细来学习进阶的数据存储

目录

1.类型的基本归类

2.分析两种数据类型的取值范围 

3.大小端(大小端字节序存储)介绍

3.1什么大端小端:

3.2 为什么有大端和小端

3.3一个例子以及如何写一个程序判断大小端 

4,两道需要总结的题目

5 浮点型在内存中的存储

5.1一个例子

5.2 浮点数存储规则

5.3 浮点数取出规则


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;

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.分析两种数据类型的取值范围 

char是有符号的还是无符号的,取决于编译器的类型。VS中char被默认为是有符号的数,其中要注意的是10000000直接被解析为-128, 而内存中数据都是以补码形式存在的,1000001的源码是11111111,它的值是-127,依次向下就得到-1的补码是11111111.于是我们可以得出有符号的char的取值范围是-128~127。

如果是无符号数,那么原来的符号位就也要被当作是数值位。那么无符号的char的取值范围就是0~255了 。

short类型,我们知道是占两个字节,于是在内存中就要有16个bite位来存储short型的数据。而这之中要注意的是short是有符号的,与char类型相似,1000000000000000也会直接被解成-32768

那么就可知short类型的取值范围就是-32768~32767 。

那么无符号的short的取值范围就是0~65535了。

3.大小端(大小端字节序存储)介绍

3.1什么大端小端:

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。

3.2 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。

3.3一个例子以及如何写一个程序判断大小端 

int check_sys()
{
	int a = 1;
	char* p = (char*)&a;
	return *p;
}


int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

我们测试某个编译器是大端还是小端存储,其实只要找到数据中第一个字节的内容,而我们用char*指针就可以访问到第一个字节内容,此时用1最为方便,因为1的二进制序列为00000000 00000000 00000000 00000001,如果char*指针访问到的是1,则是小端存储,为0就是大端存储。

4,两道需要总结的题目

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

以后可以将char类型看作是右下角的那样一个⚪,char类型的取值范围是-128~127,当i=-129时,其实在右下角那个⚪中就到了127的位置,而strlen求字符串的长度是要找'\0'的,而'\0‘的ascii值就是数字0,于是最后打印出来的结果是255。 


#include <stdio.h>

unsigned char i = 0;
//0~255 循环条件恒成立,所以会循环打印

int main()
{
	for (i = 0; i <= 255; i++)
	{
		printf("hello world\n");
	}
	return 0;
}

0~255 循环条件恒成立,所以会循环打印

5 浮点型在内存中的存储

常见的浮点数:
3.14159
1E10  它表示的时1.0*10的10次方
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

整数表示的范围:limits.h中定义

5.1一个例子

 看这段程序的运行结果是不是和你想的不一样。从整型和浮点型的区别中,我们可以推测整型和浮点型在数据中的存储是有差异的。 

5.2 浮点数存储规则

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?
要理解这个结果,一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。
详细解读:
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。

比如 

5.5 - 十进制的浮点数表示 

101.1 - 二进制表示

754表示形式 - (-1)^0 * 1.011 * 2^2  其中S=0,M=1.011,E=2;

9.0 - 十进制的浮点数表示 

1001.0 - 二进制表示

754表示形式 - (-1)^0 * 1.001 * 2^3  其中S=0,M=1.001,E=3;

所以浮点数的存储只需要存储S,M,E。

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。 

举个例子

十进制 float f = 0.5;

二进制   0.1
可以写成 (-1)^0 * 1.0*2^-1
所以 S = 0
        M = 1.0
        E = -1  +127 = 126 (修正)
    0011 1111 000000000000000000000000
    0x3f000000 

这述解释了如何存浮点数。那么如何取出浮点数呢?

5.3 浮点数取出规则

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。

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。

接下来就解释之前那个错误的问题

int main()
{
    int n = 9;

    //00000000000000000000000000001001  (9的补码)

    float* pFloat = (float*)&n;//int*  (这个地址被float类型指针指向,所以此时float就将它看        作是浮点数的序列,接下来就是拆分各个部分)
    //S = 0
    //E = -126
    //M = 0.00000000000000000001001

    printf("n的值为:%d\n", n);   //9
    //(-1)^0 * 0.00000000000000000001001 * 2^-126   (这里就是将内存中的浮点数拿出计      算出的结果)
    printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);    //0.000000

    *pFloat = 9.0;
    //1001.0
    //1.001 * 2^3
    //S = 0
    //M = 1.001
    //E = 3+127 = 130
    //0100 0001 0001 00000000000000000000  (这里是将浮点型数据放入内存的结果)

    printf("num的值为:%d\n", n);    //1,091,567,616  (这里%d,就是将上面那个二进制序列        当作整型序列了)
    printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);    //9.0

    return 0;
}

完结,撒花。 

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