C语言--数据的储存 一篇文章带你了解C语言--数据的储存
风继续吹TT 人气:0前言
前面我们学习了C语言的一些基本知识和基础的语法,想必大家对C语言都有了自己的认识。
当然只是学习这些知识还是不够的,我们需要进行更加深入的学习。
从本章开始,我们将进行C语言进阶阶段的学习,所以难度会有所增加。
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 | //双精度浮点数 |
//C语言有没有字符串类型?
C语言中没有字符串类型,但是C语言提供了字符串常量。
C语言中字符串的概念:以 NULL('\0') 字节结尾的零个或多个字符,字符串通常储存在字符数组中
当一个字符串常量出现在一个表达式中时,表达式所使用的值就是这些字符所存储的地址,因此可以把字符串常量赋值给一个“指向字符的指针”。以及他们所占存储空间的大小。
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。
int main() { int a = 10;//创建空间后,这块空间的内容以整型的方式考虑和使用 char c = 'a';//创建空间后,以字符类型的方式考虑和使用 return 0; }
类型的基本归类
整形家族:
char
unsigned char
signed charshort
unsigned short [int]
signed short [int]int
unsigned int
signed intlong
unsigned long [int]
signed long [int]
无符号数:即有符号数的符号位表示为有效位。
例如:
#include<stdio.h> int main() { unsigned int a = -1; printf("%u", a); return 0; }
这里的-1是一个有符号数,当我们以无符号数打印时,最高位不再是符号位,且无符号数的原反补码相同,则它的所有位为1,打印出来是一个很大的数。
这里我们可以清楚的看出无符号与有符号数的区别。
注意:有符号中的 -128 就表示为 10000000。
并且我们可以推算出有符号char类型所能表示的范围是-128——127;无符号char类型所能表示的范围是0——255。同理也可以推算出其他类型的范围。
ps:char类型有无符号取决于编译器的类型 ,short,int,long均表示为有符号,前面加unsigned才表示为无符号
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
所谓数组类型,即去掉数组名后剩下的就是数组的类型。
例如:我们求一个变量的大小,可以通过它变量名求,也可以通过它的类型求大小。数组亦是如此。
int main() { int a = 10; int arr[10] = { 0 }; printf("%d\n", sizeof(a));//4 printf("%d\n", sizeof(int));//4 printf("%d\n", sizeof(arr));//40 printf("%d\n", sizeof(int [10]));//40 return 0; }
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 test(void) { printf("hehe\n"); } int main() { test(); return 0; }
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:
原码、反码、补码
计算机中的有符号数有三种表示方法,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
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
例如:
int main() { int a = -1; //10000000000000000000000000000001--原码 //11111111111111111111111111111110--反码(原码符号位不变,其他位按位取反) //11111111111111111111111111111111--补码(补码+1) int b = 10;//正整数原反补相同 //00000000000000000000000000001010--原码 //00000000000000000000000000001010--反码 //00000000000000000000000000001010--补码 return 0; }
我们看看在内存中的存储:
内存中是以十六进制的形式储存的,那10应该表示为 00 00 00 0a,为什么这里会倒过来呢??
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8bit的char之外,还有16bit的short型,32bit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果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; //char*p = (char*)&i; return (*(char*)&i);//先将i的地址取出强制类型转换为char* //解引用后只会访问一个字节,且为最低位的那个字节 //如果是小端存储(01 00 00 00)则解引用后得到的是1 //如果是大端存储(00 00 00 01)则解引用后得到的是0 } 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()//这里我们后面讲到联合时再仔细讲解 { union { int i; char c; }un; un.i = 1; return un.c; }
练习
1. //输出什么? #include <stdio.h> int main() { char a= -1; signed char b=-1; unsigned char c=-1; //00000000000000000000000011111111 printf("a=%d,b=%d,c=%d",a,b,c); return 0; }
a和b毫无疑问是-1,虽然会进行整形提升,但所有位都是1并不会影响最后的结果。
c因为是一个无符号数,而这里%d是以有符号数da印,需要整型提升,所以应该是255。
下面程序输出什么?
2. #include <stdio.h> int main() { char a = -128; //-128的二进制位 //10000000000000000000000010000000 //11111111111111111111111101111111 //11111111111111111111111110000000 // a中存的二进制位 //100000000 printf("%u\n",a);//以无符号整形打印,需进行整形提升,左边补1 //11111111111111111111111110000000 4294967168 return 0; }
3. #include <stdio.h> int main() { char a = 128; //char类型的范围是-128到127,128按照二进制位转换其实就是-128,所以和上面相同 printf("%u\n",a); return 0; }
4. int i= -20; unsigned int j = 10; //-20 //10000000000000000000000000010100 原码 //11111111111111111111111111101011 反码 //11111111111111111111111111101100 补码 //10 //00000000000000000000000000001010 原反补 //i+j //11111111111111111111111111110110 补码 //11111111111111111111111111110101 反码 //10000000000000000000000000001010 原码 -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
5. unsigned int i; for(i = 9; i >= 0; i--)//i为无符号数恒大于0,条件恒成立,死循环 { printf("%u\n",i); }
6. int main() { char a[1000]; int i; for(i=0; i<1000; i++) { a[i] = -1-i;//a[0]=-1,且数组中数据类型为char,范围是-128到127 } printf("%d",strlen(a));//strlen遇到'\0'(0)就停止计数,而这里数组的第256个元素a[255]=0 return 0; //所以这里输出255 }
7. #include <stdio.h> unsigned char i = 0; int main() { for(i = 0;i<=255;i++)//i为无符号数且为char类型,i<=255恒成立,死循环 { printf("hello world\n"); } return 0; }
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。
浮点数存储的例子:
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; }
输出的结果是什么呢?
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。
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
注意:有些数字可能不能精确表示,例如0.3
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。
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。
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。
例如:
int main() { float f = 5.5f; //101.1 //科学计数法:(-1)^0*1.011*2^2 //S=0 //M=1.011 //E=2 +127存储 //二进制表示:0 10000001 01100000000000000000000 //十六进制: 40 B0 00 00 return 0; }
其中我们可以看出浮点数在内存中的存储,也是有大小端的。
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);
最后来解释一下前面的题:
int main() { int n = 9; //000000000000000000000000000001001 float* pFloat = (float*)&n; //将整形9的二进制位转化为浮点型,S=0,E为全0,所以可以表示近似为0 printf("n的值为:%d\n", n); printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat); *pFloat = 9.0; //1001.0 //S=0,E=130(3+127),M=1001 //9.0在内存中的二进制:01000001000100000000000000000000 printf("num的值为:%d\n", n);//这里打印的n是以9.0在内存中的二进制位以整形打印,所以结果不是9.0 printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat); return 0; }
总结
本篇文章就到这里了,希望能给你带来帮助,也希望您能够多多关注的更多内容!
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