C語言深入探索資料型別的儲存

2022-07-25 14:02:04

資料型別介紹

首先，對於我們C語言中的資料型別，大家應該都有一個清晰的認識吧！如果不記得也沒有關係哦~ 在這裡來跟著小劉同學回顧一下吧！

關於資料型別，我們在前面已經學習過了一些內建資料型別，以及它們所佔的記憶體空間的大小，例如：

char //字元資料型別
int //整型
short //短整型
long //長整型
long long //更長的整型
float //單精度浮點型
double //雙精度浮點型

那，在這裡，我們需要思考一個問題：在C語言中存在字串型別嘛？

這個問題的答案需要大家自己去思考喲~（當然，如果不知道的話可以私信小劉同學喲~

型別的意義：1.使用這個型別開闢的記憶體空間的大小，也就是說型別決定了我們可以使用的空間的大小。2.如何看待記憶體空間的視角。

型別的基本歸納

首先，當然是我們經常使用的整型型別家族啦！

整型家族

char //字元資料型別
unsigned char //無符號字元型
signed char //有符號字元型
short //短整型
unsigned short[int] //無符號短整型
signed short[int] //有符號短整型
int //整型
unsigned int //無符號整型
signed int //有符號整型
long //長整型
unsigned long[int] //無符號長整型
signed long[int] //有符號長整型

當然，整型家族當然是少不了我們的long long int 型的，但是由於更長長整型的分類與整型家族其他成員的分類是相似的，所以在這裡我們不加贅述。

浮點數家族

float
double

構造型別

>陣列型別
>結構體型別 struct
>列舉型別 enum
>聯合型別 union

指標型別

int * pi;
char * pc;
float * pf;
void * pv;

空型別

void表示空型別（無型別）

空型別通常應用於函數的返回型別，函數的引數，指標型別。

整型在記憶體中的儲存

首先，我們在之前的文章中談到過，變數的建立是要在記憶體中開闢一部分空間的。而開闢的空間的大小是要根據不同的型別而決定的。那麼，下面就跟著小劉同學一起來學習一下資料在它所開闢的記憶體中究竟是如何進行儲存的吧！

我們先來舉一個例子吧：

int a=10;
int b=-10;

我們知道，因為a為int型，所以為a分配了4個位元組的空間，那麼，在記憶體又該如何儲存吶？

要想了解這一點，我們先來明白幾個概念：

原碼，反碼，二補數

在計算機中的整數存在3種2進位制的表示方式：原碼、反碼、二補數。

這三種方法均存在符號位和數值位這兩個部分。符號位使用0表示'正'，使用1表示'負'。而數值位正數的原碼、反碼、二補數都相同。而負整數的三種表示方法都不相同。

原碼

直接將數值按照正負數的形式轉換成二進位制的形式就可以得到原碼。

反碼

將原碼的符號位不變，其他位依次求反就可以得到反碼。

二補數

在反碼的基礎上+1就可以得到二補數。

對於整形來說，資料存放在記憶體中其實是以二補數的形式存放的。（相信學過數電的小夥伴一定知道這是為什麼。那麼其他不知道所以然的小夥伴請自行百度詢問哦。

在vs裡面我們可以看到a和b在記憶體中的地址，但是，這樣看是不是有點不太對？

按照我們上面所講的內容，列出a和b在記憶體中儲存的二進位制形式再根據二進位制轉為十六進位制的規則，a和b在記憶體中的儲存應該是下圖所示的形式，那麼為什麼我們在VS的偵錯中會出現不一樣的結果吶？

int a=10;
//原碼：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
//反碼：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
//二補數：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
// 00 00 00 0a
int b=-10;
//原碼：1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
//反碼：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0101
//二補數：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1010 
//ff ff ff fa

這個時候，我們來再瞭解一個概念——大小端。

大小端

大小端指的是兩種不同的儲存方式。那麼下面我們來詳細瞭解一下什麼是大小端：

大端（儲存）模式：是指資料的低位數儲存在記憶體的高地址中，而資料的高位，儲存在記憶體的低地址中。

小端（儲存）模式：是指資料的低位數儲存在記憶體的低地址中，而資料的高位，儲存在記憶體的高地址中。

當然，大端儲存和小端儲存是根據編譯器的不同來決定的。

這樣子只看概念大家是否感到十分疑惑吶？下面，小劉同學給大家畫圖模擬一下大端儲存和小端儲存的基本情況吧！

這樣子，大家是不是對大端儲存和小端儲存有了一個基本的概念瞭解吶？

那麼，大家現在是不是非常好奇自己目前使用的編譯器究竟使用了那種儲存方式吶？

下面請跟著小劉同學來判斷一下自己所使用的編譯器究竟是哪種儲存方式吧！

我們首先定義一個變數：int a=1;

int a=1;
//原碼：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
//反碼：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
//二補數：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
//如果是大端儲存，返回的第一個位元組一定為00 ——> 0
//如果是小端儲存，返回的第一個位元組一定為01 ——> 1

完整程式碼如下：

#include<stdio.h>
int chek_sys()
{
	int i = 1;
	return (*(char*)&i);
}
int main()
{
	int ret = chek_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端n");
	}
	else 
	{
		printf("大端n");
	}
	return 0;
}

浮點數在記憶體中的儲存

浮點數儲存的規則

首先，我們來舉一個例子

#include<stdio.h>
int main()
{
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值為:%dn", n);
	printf("*pFloat的值為:%fn", *pFloat);
	*pFloat = 9.0;
	printf("num的值為：%dn", n);
	printf("*pFloat的值為：%fn", *pFloat);
	return 0;
}

以上程式碼執行的結果為：

它這個結果好像和我們想象的結果不太一樣哎。這是為什麼吶？在這裡就不得不提一下浮點數在記憶體中的儲存規則了。

根據國際標準IEEE（電氣和電子工程協會） 754，任意一個二進位制浮點數V可以表示成下面的形式：

(-1)^S * M * 2E
(-1)S表示符號位，當S=0，V為正數；當S=1，V為負數。
M表示有效數位，大於等於1，小於2。
2^E表示指數位。

看到這裡，大家是不是有很多的疑問和不理解？別急，下面小劉同學來為大家講解清楚。

要想理解上面的內容，我們先來舉一個例子吧！

例如:9.5f

小數點後面的權重是2的-1次方，-2次方這樣子依次類推。

當然，並不是所有的浮點數都可以表示出來的，有的浮點數是無法表示出來的，小數點後面的數無法精確表示，可能會出現精度缺失。

IEEE 754對有效數位M和指數E，還有一些特別規定。

前面說過， 1≤M<2 ，也就是說，M可以寫成 1.xxxxxx 的形式，其中xxxxxx表示小數部分。 IEEE 754規定，在計算機內部儲存M時，預設這個數的第一位總是1，因此可以被捨去，只儲存後面的xxxxxx部分。比如儲存1.01的時候，只儲存01，等到讀取的時候，再把第一位的1加上去。這樣做的目的，是節省1位有效數位。以32位元浮點數為例，留給M只有23位，將第一位的1捨去以後，等於可以儲存24位元有效數位。

至於指數E，情況就比較複雜。

首先，E為一個無符號整數（unsigned int）這意味著，如果E為8位元，它的取值範圍為0~255；如果E為11位，它的取值範圍為0~2047。但是，我們知道，科學計數法中的E是可以出現負數的，所以IEEE 754規定，存入記憶體時E的真實值必須再加上一個中間數，對於8位元的E，這個中間數是127；對於11位的E，這個中間數是1023。比如，2^10的E是10，所以儲存成32位元浮點數時，必須儲存成10+127=137，即 10001001。

在我們已經知道如何儲存浮點數後，我們再來學習一下如何將浮點數從記憶體中取出。

指數E從記憶體中取出還可以再分成三種情況：

E不全為0或不全為1

這時，浮點數就採用下面的規則表示，即指數E的計算值減去127（或1023），得到真實值，再將有效數位M前加上第一位的1。比如： 0.5（1/2）的二進位制形式為0.1，由於規定正數部分必須為1，即將小數點右移1位，則為 1.0*2^(-1)，其階碼為-1+127=126，表示為01111110，而尾數1.0去掉整數部分為0，補齊0到23位00000000000000000000000，則其二進位制表示形式為: