最近博主開學(xué)啦！更新節(jié)奏有點(diǎn)跟不上，這里做個檢討~

UU們開學(xué)感覺怎么樣呢？見到同學(xué)或者舍友有沒有很開心呢？又可以一起愉快地玩耍咯！

但是玩歸玩，學(xué)習(xí)還是正事，話不多說，開始今天的內(nèi)容。

在之前的內(nèi)容中，我們已經(jīng)把C語言的入門知識進(jìn)行了一個全面的講解，并介紹了一些實(shí)用的調(diào)試技巧，以及函數(shù)棧幀的創(chuàng)建和銷毀，可以說對于C語言已經(jīng)算是敲過開門磚了。

那么今天，我們就要開啟深入學(xué)習(xí)C語言的旅程啦！首先解決C語言進(jìn)階第一問：數(shù)據(jù)在內(nèi)存中是如何存儲的？

當(dāng)然，我們主要探討的是整型和浮點(diǎn)型這兩種類型。

數(shù)據(jù)類型

C語言中具以下幾種基本內(nèi)置類型：

這里說明一下：

• C語言的基本內(nèi)置類型只的是C語言本身具有的類型，而庫函數(shù)本身是不屬于C語言的，是獨(dú)立于C語言之外的。
• C語言是用來決定語言的語法形式的，而庫函數(shù)是編譯器的產(chǎn)商提供，當(dāng)然庫函數(shù)的使用是受C語言標(biāo)準(zhǔn)約束的（比如C語言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一些庫函數(shù)的函數(shù)名、參數(shù)類型、返回值類型和函數(shù)功能）。
• 這樣做的好處是雖然不同編譯器實(shí)現(xiàn)函數(shù)的方式不一樣，但是對于我們來說，在不同的編譯器下使用函數(shù)的方式是一樣的。
• 當(dāng)然在有一些編譯器中對一些庫函數(shù)的支持提供得不是很好，比如在VS編譯器下使用scanf函數(shù)就可能會報錯，需要使用scanf_s。

由于字符類型在存儲的時候是按照ASCII碼值存儲的，所以字符類型也屬于整型家族中的一員。

前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了以上這么多的數(shù)據(jù)類型，并且了解了它們所占內(nèi)存空間的大小。

我們還要明白，我們?yōu)槭裁匆o數(shù)據(jù)分那么多的類型：

1. 我們生活中出了的數(shù)除了整數(shù)就是小數(shù)，所以為了更好地存儲這兩種類型，數(shù)據(jù)分為整型和浮點(diǎn)型兩大類
2. 使用不同的類型時內(nèi)存開辟的空間大小是不一樣的（使用范圍也不一樣）。我們應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)的大小選擇合適的類型，如果選大了，則浪費(fèi)空間；選小了，則數(shù)據(jù)無法完整存儲。
3. 不同類型決定了我們看待空間時應(yīng)該采用哪種視角。即對于內(nèi)存中不同空間的類型存和取的方式是不一樣的。

類型的基本歸類

整型家族

• char
  unsigned char
  signed char
• short
  unsigned short [int]
  signed short [int]
• int
  unsigned int
  signed int
• long
  unsigned long [int]
  signed long [int]
  -long long
  unsigned long long [int]
  signed long long [int]

注意：



如何理解有符號和無符號：

以char類型舉例：

這里也說明了不同類型決定了我們看待內(nèi)存中的值時視角也不同。

同時，我們也可以由此推算出一個類型中最大能放一個多大的數(shù)字。

還是以char類型舉例：

由此可以得出，有符號的char中可以存放的數(shù)的范圍是 -128 ~ 127。

相同道理：

無符號的char中可以存放的數(shù)的范圍是 0 ~ 255。

同理，我們可以得出short、int 、long等等類型的范圍。

浮點(diǎn)型

float
double

這兩種類型通常根據(jù)數(shù)據(jù)要求的精度來選擇：精度高選擇double類型（8個字節(jié)），精度低選擇float類型（4個字節(jié)）。

一般我們更常選擇float類型，但是記住噢~3.14默認(rèn)是double類型哦！

構(gòu)造類型

除了內(nèi)置類型之外，還有構(gòu)造類型，即可以自己創(chuàng)造的類型。

數(shù)組類型
結(jié)構(gòu)體類型 struct
枚舉類型 enum
聯(lián)合類型 union

數(shù)組類型為什么也屬于構(gòu)造類型呢？

我們來看看數(shù)組的類型：

當(dāng)我們定義的數(shù)組元素的類型和個數(shù)不同時，數(shù)組的類型也不同，可以通過sizeof反映出來，所以我們也說數(shù)組屬于構(gòu)造類型。

指針類型

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

空類型

void表示空類型（即無類型）
常用于函數(shù)的返回類型、函數(shù)參數(shù)和指針類型

這里說void作為函數(shù)參數(shù)是什么情況呢?

正常我們在調(diào)用函數(shù)的時候，如果這個函數(shù)不需要傳參，則不寫參數(shù)。

但是如果是一個不需要傳參的函數(shù)，而我們又給它傳參了，函數(shù)會怎樣呢？在有的編譯器中，會報錯，但是有的編譯器則會接受這種情況。

但是如果我們給參數(shù)加上一個void。編譯器就會報錯或者警告，告訴你不能傳參啦！

整型在內(nèi)存中的存儲

我們知道，一個變量創(chuàng)建之后是要在內(nèi)存中開辟空間的，那么這些變量在內(nèi)存中到底是怎么存儲的呢？

接下來我們就來看看~

首先看看整型在內(nèi)存中是如何存儲的。

我們知道，二進(jìn)制中有符號的整數(shù)有原碼、反碼、補(bǔ)碼三種表示方式。

這三種表示方式都有符號位和數(shù)值位兩部分。

• 在符號位中，0表示“正”，1表示“負(fù)”。
• 在數(shù)值位中，正數(shù)的原、反、補(bǔ)碼相同；負(fù)數(shù)的三種表示方法各不相同：
  原碼：直接將二進(jìn)制按照正負(fù)數(shù)的形式翻譯成二進(jìn)制。
  反碼：將原碼的符號位不變，其他位依次按位取反。
  補(bǔ)碼：反碼+1得到補(bǔ)碼。

我們知道對于整型來說，內(nèi)存中存放的是該數(shù)的補(bǔ)碼。

在計算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)值一律用補(bǔ)碼來表示和存儲。

但是存放的是補(bǔ)碼，而不是原碼或者反碼呢？

因?yàn)椋褂醚a(bǔ)碼可以將符號位和數(shù)值位作統(tǒng)一處理。

同時，加法和減法也可以統(tǒng)一處理（CPU只有加法器）。

因此，補(bǔ)碼與原碼相互轉(zhuǎn)換，其運(yùn)算過程是相同的，不需要額外的硬件電路。

比如，我們想計算1-1。但是因?yàn)镃UP只有加法運(yùn)算，所以我們可以把表達(dá)式寫成1+（-1）。

我們可以看到，用原碼計算，得不出正確的結(jié)果。

但是如果用補(bǔ)碼計算，情況就不一樣了。

從上圖的計算中，我們可以看出，使用補(bǔ)碼可以直接對符號位和數(shù)值位同一進(jìn)行處理。

這里有一個有意思的事情：

我們知道原碼、反碼和補(bǔ)碼都是怎么得到的，那么計算一下我們會發(fā)現(xiàn)用同樣的方法，我們也可以通過補(bǔ)碼得到原碼。

（不信你試著算一下！）

所以，由此我們可以看到用補(bǔ)碼來存儲的好處。

大小端字節(jié)序

定義

我們看到，a是一個十六進(jìn)制的數(shù)，當(dāng)我們在內(nèi)存中查看它的存儲情況時，可以發(fā)現(xiàn)，它的存放是從低地址開始放44 33 22 11。

對于它們在內(nèi)存中的存放順序，其實(shí)可以有很多種存放的方式。

但是如果大家都按照自己的想法來寫，則整個存儲就會亂套，而且如果我們不按照正常的順序存儲時，取出來要獲得原來的數(shù)就比較麻煩，所以我們最后決定只以下兩種存儲順序。

注意：這里的存儲順序是以字節(jié)為單位來討論的。因此，也稱字節(jié)序。

其中，上面的存儲順序稱為小端字節(jié)序；下面的存儲順序稱為大端字節(jié)序。

• 小端字節(jié)序存儲
  把一個數(shù)的低位字節(jié)的內(nèi)容，存儲在內(nèi)存的低地址出，把這個數(shù)的高位字節(jié)的內(nèi)容，存儲在內(nèi)存的高地址處。
• 大端字節(jié)序存儲
  把一個數(shù)的低位字節(jié)的內(nèi)容，存儲在內(nèi)存的高地址出，把這個數(shù)的高位字節(jié)的內(nèi)容，存儲在內(nèi)存的低地址處。

意義

那么，為什么在存儲時還要有大小端之分呢？

這是因?yàn)樵谟嬎銠C(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)存空間的最小單元是一個字節(jié)。所以，如果我們存放的變量大小大于一個字節(jié)時，我們就不得考慮每個字節(jié)應(yīng)該以何種順序存放在內(nèi)存中了。

那么我們當(dāng)前的編譯器是采取大端存儲還是小端存儲呢？

別著急，回頭看看內(nèi)存中的值的順序，就能知道啦！

所以，我們當(dāng)前編譯器采用的是小端字節(jié)序。

百度曾經(jīng)出過一道筆試題，讓被試者設(shè)計一個程序來判斷當(dāng)前機(jī)器的字節(jié)序。

那么我們應(yīng)該如何做呢？

我們用1來進(jìn)行觀察。

所以，我們只需要拿出第一個字節(jié)，看看里面存的是0還是1就知道了。

當(dāng)然，我們要實(shí)現(xiàn)的是查看一個機(jī)器字節(jié)序的功能，所以這里我們最好把程序封裝成一個函數(shù)。

浮點(diǎn)型在內(nèi)存中的存儲

看完了整數(shù)在內(nèi)存中是怎么存儲的，那么浮點(diǎn)型在內(nèi)存中又是怎么存儲的呢？

我們接下來就來看看。

首先我們常見的浮點(diǎn)數(shù)有：

小數(shù)：3.1425926
科學(xué)計數(shù)法：1E10（1.0*10¹⁰）

在浮點(diǎn)型中，我們有float和double兩種類型。

而這兩種類型的范圍，我們用float.h來定義。

如果我們想看整數(shù)的最大值（最小值），我們就用INT_MAX（INT_MIN）;并在前面包含頭文件。

然后我們就能看到int類型所能存放的最大值啦！

那么，浮點(diǎn)數(shù)所能存放的最大最小值是多少呢？

同理，我們可以用FLT_MAX（或者FLT_MIN、DBL_MAX等），引用頭文件，然后轉(zhuǎn)到定義。

就能得到他們的精度啦~

那么在內(nèi)存中浮點(diǎn)數(shù)的存儲和整數(shù)的存儲是一樣的嗎？

我們可以先通過一段代碼來進(jìn)行驗(yàn)證。

那么如果浮點(diǎn)型的存儲和整型不一樣，它又是怎么存儲的呢？

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE（電氣和電子工程協(xié)會） 754，任意一個二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)V可以表示成下面的形式：

• (-1)^S * M * 2^E
  (-1)^s表示符號位，當(dāng)S=0，V為正數(shù)；當(dāng)S=1，V為負(fù)數(shù)。
  M表示有效數(shù)字，1≤M<2。
  2^E表示指數(shù)位。

我們以小數(shù)5.5來舉例。

同理，我們可以寫出9.0的表示形式：

我們會發(fā)現(xiàn)，其實(shí)任何一個浮點(diǎn)數(shù)都可以寫成這種形式。

那么，只要我們把一個浮點(diǎn)數(shù)寫成(-1)^S * M * 2^E這種形式，那么只要我們存儲了S、M、E的信息，就能還原出浮點(diǎn)數(shù)的值了。

IEEE 754規(guī)定： 對于32位的浮點(diǎn)數(shù)，最高的1位是符號位S，接著的8位是指數(shù)E，剩下的23位為有效數(shù)字M。

對于64位的浮點(diǎn)數(shù)，最高的1位為符號位S，接著是11位的指數(shù)E，剩下的52位為有效數(shù)字M。

• 此外，IEEE 754對有效數(shù)字M和指數(shù)E，還有一些特別規(guī)定。

因?yàn)?≤M<2 即M可以寫成1.XXXXXX 的形式，其中XXXXXX表示小數(shù)部分。

IEEE 754規(guī)定，在計算機(jī)內(nèi)部保存M時，默認(rèn)這個數(shù)的第一位總是1，因此這個1和它后面的小數(shù)點(diǎn)可以被舍去，只保存后面的XXXXXX部分。

比如：當(dāng)我們要保存1.01的時候，只需要保存01，等到讀取的時候，再把前面的1.加上去。

這樣，我們就節(jié)省了1位有效數(shù)字。

以32位浮點(diǎn)數(shù)（float）為例，留給M只有23位，將第一位的1舍去以后，等于可以保存24位有效數(shù)字，這樣精度就得到了提高。

• 那么對于指數(shù)E來說，它又是怎么存進(jìn)去的呢？

我們知道，對于指數(shù)E來說，它是可以去負(fù)數(shù)的，那么對于負(fù)數(shù)的E在存儲的時候，我們又應(yīng)該如何處理呢？

于是人們又想出了一個辦法，不如給這個E加上一個中間數(shù)，讓E即使是最小的負(fù)數(shù)，加上這個數(shù)之后也不會為負(fù)（等于0），那么就不會出現(xiàn)負(fù)數(shù)的情況了，只要我們?nèi)〕鰜淼臅r候再把這個中間數(shù)加上就行了。

這樣，我們就可以把E作為一個無符號整數(shù)了。

如果E為8位，那么它的取值范圍就是：0~255，那么它的中間數(shù)就是127。

對于11位的E，它的取值范圍是0~2047，它的中間數(shù)就是1023。

比如：2¹⁰的E是10，所以保存成32位浮點(diǎn)數(shù)時，就保存成10+127=137，即10001001。

以5.5為例，我們可以在內(nèi)存中看到它的存儲。

并且我們可以發(fā)現(xiàn)，對于浮點(diǎn)數(shù)，它在內(nèi)存中的存儲也是有大小端的。

以上，我們就知道了浮點(diǎn)數(shù)在內(nèi)存中是怎么存的了。
那么它又是怎么取出來的呢？

按道理，我們是怎么放進(jìn)去的，就應(yīng)該是怎么取出來的。但是由于指數(shù)E比較特別，所以再取出來時，又有一些特別的規(guī)定。

在內(nèi)存中取出E時，我們有一下三種情況：

E不全為0或不全為1

這時，E是怎么存進(jìn)來的，我們就按照原路取出來。

即指數(shù)E的計算值減去127（或1023），得到真實(shí)值，再將有效數(shù)字M前加上第一位的1。

比如： 0.5的二進(jìn)制形式為0.1，由于規(guī)定正數(shù)部分必須為1，即將小數(shù)點(diǎn)右移1位，則為1.0*2^(-1)。

同理，反過來，我們可以通過這個二進(jìn)制序列得到0.5。

E全為0

當(dāng)E全為0的時候，說明浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)E等于-127，而2^-127是一個非常非常小的數(shù)，已經(jīng)十分接近于0了。

所以這時候，我們就不再按照原來的計算方式，而是把浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)E直接記為1-127（或者1-1023）， 并且有效數(shù)字M不再加上第一位的1，而是還原為0.XXXXXX的小數(shù)。這樣做是為了表示±0，以及無窮接近于0的很小的數(shù)。

E全為1

當(dāng)E全為1時，則得到的是255，減去127得到的是128，而2¹²⁸是一個非常大的數(shù)。所以這時，如果有效數(shù)字M全為0，則該數(shù)就表示±無窮大（正負(fù)取決于符號位S）

當(dāng)我們了解完以上浮點(diǎn)型在內(nèi)存中的存儲規(guī)則之后，我們就可以理解之前哪個代碼打印出來的值了。

今天的文章就到這里啦！~

你學(xué)廢了嗎？記得點(diǎn)贊收藏加關(guān)注，在評論區(qū)留下你的腳印~

關(guān)注我！一起精進(jìn)C語言！

今天的代碼都在這里咯！
https://gitee.com/fang-qiuhui/my-code/blob/4ab3bddffe0dc8e520fabbee219aa421f67d6c1b/blog_2021_8_30_data/blog_2021_8_30_data.cpp