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系列专栏 C语言知识
先赞后看#xff0c;已成习惯 创作不易#xff0c;多多支持#xff01; 随着信息技术的飞速发展#xff0c;我们身处一个数据爆炸的时代。数据的处理和存储方式正日益成为技术革新的重要领域。在新时代的…欢迎来到白刘的领域 Miracle_86.-CSDN博客
系列专栏 C语言知识
先赞后看已成习惯 创作不易多多支持 随着信息技术的飞速发展我们身处一个数据爆炸的时代。数据的处理和存储方式正日益成为技术革新的重要领域。在新时代的内存架构中数据的灵动驻足正为计算世界注入无限活力。今天我们就来简单探讨一下数据在内存中的存储。
目录
一、整数在内存中的存储
二、大小端字节序和字节序判断
2.1 什么是大小端
2.2 为什么要有大小端
2.3 练习
练习1 练习2
练习3
三、浮点数在内存中的存储
3.1 浮点数存的过程
3.2 浮点数取的过程
3.3 题目解析 一、整数在内存中的存储
前面在讲解操作符的时候我们就提到了原码、反码、补码。这三个是整数的二进制的三种表示方法。 武器大师——操作符详解上-CSDN博客 三种表示方法均有符号位和数值位两部分符号位都是由“ 0 ”表示“ 正 ”“ 1 ”表示“ 负 ”而数值位的最高一位被当做符号位其余的都是数值位。
正整数的原、反、补码都相同。
负整数则各不相同需要运算 原码直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制得到的就是原码。 反码原码的符号位不变其它位都取反也就是0变成11变成0。 补码就是在反码的基础上1。 而对于整型来讲数据在内存中存放的其实是补码。
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。 二、大小端字节序和字节序判断
当我们了解完整数在内存中的存储后我们调试看会发现一个细节
#include stdio.h
int main()
{int a 0x11223344;return 0;
}
调试的时候我们可以看到a中的0x11223344这个数字是以字节为单位倒着存储的。那它为什么不是正着存储的呢 2.1 什么是大小端
其实超过一个字节的数据在内存中存储的时候不可避免出现存储顺序的问题按照不同的存储顺序我们分为大端字节序和小端字节序。
大端存储模式是指数据的低字节内容保存在高地址处而数据的高字节内容保存到低地址处。
小端存储模式是指数据的低字节内容保存在低地址处而数据的高字节内容保存到高地址处。
2.2 为什么要有大小端
在计算机系统中内存的基本组织单位是字节每个内存地址单元都对应一个字节即8位。然而在编程语言如C语言中除了8位的char类型外还存在其他位宽的数据类型如16位的short型和32位的long型具体位宽可能因编译器而异。
当使用位数大于8位的处理器比如16位或32位处理器时由于它们的寄存器宽度超过一个字节这就涉及到了如何将多个字节组合在一起存储的问题。这种多字节数据的存储顺序问题导致了两种不同的字节序模式大端字节序和小端字节序。
以16位的short型变量x为例假设其在内存中的起始地址为0x0010并且x的值为0x1122。在这里0x11是高位字节0x22是低位字节。如果采用大端字节序高位字节0x11会被存放在较低的地址0x0010中而低位字节0x22则存放在较高的地址0x0011中。相反如果采用小端字节序存储顺序则正好相反。
在我们常见的X86架构中采用的是小端字节序。然而不同的处理器架构或编程环境可能有不同的选择。例如KEIL C51通常使用大端字节序而许多ARM和DSP处理器则采用小端字节序。甚至有些ARM处理器允许通过硬件配置来选择使用大端字节序还是小端字节序。
2.3 练习
练习1
设计一个程序来判断当前机器的字节序。10分——百度笔试题。
//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;
} 思路我们知道整型1的原码是0x00 00 00 01仅写8位做示例如果按照小端字节序它存放的应该是01 00 00 00如果是大端则是00 00 00 01。那我们只需要判断第一个字节是00还是01即可所以我们用到了强制类型转换将其转换成char*。 //代码2
int check_sys()
{union{int i;char c;}un;un.i 1;return un.c;
} 第二种方法则用到了联合体这段先放着我们以后再来讲继续挖坑ing。 练习2
#include stdio.h
int main()
{char a -1;signed char b -1;unsigned char c -1;printf(a%d,b%d,c%d, a, b, c);return 0;
}
这里先说一下什么是signed char以及unsigned char正常的char我们都知道存放一个字节也就是8个比特位而signed char是有符号字符型说明它的最高位被当成了符号位而unsigned char就是无符号的那接下来就可以计算了。
//对于a//首先写出-1的原码 10000000 00000000 00000000 00000001
//反码 11111111 11111111 11111111 11111110
//补码 11111111 11111111 11111111 11111111
//由于a为char 所以只能存储一个字节所以存储的为11111111
//继续计算补码变成原码取反1, 10000001
//所以输出-1。//对于b和a同理//对于c因为它是无符号的所以存储的为10000001直接换算为255
来看运行结果 练习3
#include stdio.h
int main()
{char a -128;printf(%u\n, a);return 0;
} 如果想知道这题如何做我们首先要知道%u是什么它的意思是认为a中存放的是无符号整数。由于a为char类型所以我们首先要进行整型提升。 //原码 10000000 00000000 00000000 10000000
//反码 11111111 11111111 11111111 01111111
//补码 11111111 11111111 11111111 10000000//由于%u所以打印出来一个很大的数 运行结果 三、浮点数在内存中的存储
常见的浮点数3.14159、1E10...浮点数家族包括float、double、long double类型。
浮点数的范围在float.h中定义。
#include stdio.h
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;
}
来看运行结果 上述代码的n和*pFloat明明存储的是一样的值为什么两次*pFloat的值不一样呢
要理解这个结果的话我们需要搞懂浮点数在计算机内部的存储方法。
3.1 浮点数存的过程
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其中代表符号位M代表有效数字代表指数位。
举个例子
十进制的5.0写成二进制是101.0相当于1.01*2²S0M1.01E2。
十进制的-5.0写成二进制是-101.0相当于-1.01*2²S1M1.01E2。
IEEE 754规定
对于32位的浮点数最高1位存储符号位S之后的8位存储指数E剩下的23位存储有效数字M
对于64位的浮点数最高1位存储符号位S之后的11位存储指数E剩下的23位存储有效数字M。 IEEE 754对M和E还有一些特殊规定。
前面说过1≤M2也就是说M可以写成1.xxxxxxxxx其中xxxxxxxxx是小数部分。
IEEE 754规定在计算机内部保存M时默认这个数的第一位是1因此可以被舍去只保存后面的小数部分。比如保存1.01时只保存后面的01等到读取的时候再把前面的1加上这样做的目的是可以节省1位有效数字。以32位浮点数为例留给M的只有23位将1舍去后就可以保留24位。
而至于指数E情况就比较复杂了。
首先E是一个无符号整数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10127137即10001001。
3.2 浮点数取的过程
E从内存中取出还可以分为三种情况
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 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-1127(中间值)126表⽰为01111110⽽尾数1.0去掉整数部分为0补⻬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。
0 00000000 00100000000000000000000
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。
0 11111111 00010000000000000000000
3.3 题目解析
之后我们再来回到题目
首先第一个问题为什么9还原成浮点数就变成了0.000000
9以整型的形式存储在内存中得到以下二进制序列
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
我们按照刚刚我们讲的将其拆分得到S0E00000000剩下的是M。 所以V(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)1.001×2^(-146) 显然这是一个接近无穷小的一个数保留即是0.000000。
再来看第二个问题为什么浮点数9.0整数打印是1091567616。
首先9.0二进制为1001.0即1.001*2³。
所以9.0-1º ×1.001×2³
那么第⼀位的符号位S0表示这是一个正数。有效数字M等于001后⾯再加20个0凑满23位即M的二进制10000010
所以写成⼆进制形式应该是SEM即
0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000 这个32位的⼆进制数被当做整数来解析的时候就是整数在内存中的补码原码正是 1091567616。 完
