【C进阶】-深度剖析数据在内存中的存储（1）

数据类型介绍

数据类型分为两种：
① 内置类型
② 自定义类型

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                   整型
long                长整型
long long        更长的整型
float                单精度浮点数
double            双精度浮点数

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
② 如何看待内存空间的视角

类型的基本归类：

（1）整形家族

char
unsigned char
signed char

字符存储的是ASCII码值。
char 定义的变量是有符号还是无符号取决于编译器。
有符号数的第一位二进制数是符号位，1表示为负，0表示为负。

short
unsigned short [int]
signed char [int]

short定义的变量就是有符号变量。
unsigned short int和unsigned short是等价的，后面的int一般情况下都是省略的。

int
unsigned int
signed int

int定义的变量是有符号的

long
unsigned long[int]
signed long [int]

long和short的原理是一样的。

（2）浮点数家族

float
double

（3）构造类型

数组类型
结构体类型 struct
枚举类型 enum
联合类型 union

这里我们来看一下数组类型。可能有人会疑问，数组也是一种构造类型吗？我们平时定义的时候不是定义一个整型数组或者字符型数组吗？难道整型数组不是整型吗?

这里要告诉大家，数组并不是内置类型，int a和int arr[10]是两种不同的类型。前面我们说过，去掉变量名就是变量的类型。这里就可以清楚地看到。整型的类型是int，而整型数组的类型是int [],这是两种不同的类型。

后面的三种构造类型我会在后期的知识中详细介绍。

（4）指针类型

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

(5)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（即无参），指针类型。

整型在数据中的存储

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。

（1）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：

（2）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:

直接将二进制数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。

注意：
① 正数的原、反、补都相同。
② 对于整形来说：数据存放内存中其实存放的是补码。

对于第二点很多人会产生疑惑，为什么数据存放要以补码的形式存放，直接将原码存放进去难道不是更为直观吗？这里当然是有原因的。

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。

这里再举一个简单的例子，我们来计算1-1的值。

上面我们介绍了CPU中是没有减法器的，所以这个运算实际上是1+（-1）。

现在假使计算机中数据是按照原码存放的，那么这个计算过程就如下：
00000000000000000000000000000001+10000000000000000000000000000001=10000000000000000000000000000010
很显然这个结果是-2，而我们所求的结果应该是0.这说明这种存储方法在计算机中是行不通的。

接下来我们来看按照补码存放的计算过程：
00000000000000000000000000000001+11111111111111111111111111111111=100000000000000000000000000000000
我们知道整型所占的空间是32位，而算出的这个33位数实际上第一位是被抛弃的，所以最终的结果应该是32个0，也就是0.

很显然，补码的存储方式在计算机中的运算是正确的，希望这个例子可以让大家更好的理解为什么数据在计算机中的存储要以补码的形式来存放。

（3）数据类型的存储大小

我们知道一个字符型变量所占的空间是一个字节，那么计算机能够存放多少个字符变量呢？这里我们用一张图来看一下：

从00000000到11111111.如果是无符号数，它的范围应该是0～255.如果是有符号数，它的范围应该是-128～127.
这里应该注意注意一点：规定10000000的值是-128.

接下来在介绍给大家short类型的存储范围：
无符号数：0～65535 有符号数：-32768～32762

剩下的类型的计算方法是一样的，大家可以自己计算出来

（4）我们看看在内存中的存储：

我们可以看到对于a和b分别存储的是补码。但是我们发现顺序有点不对劲。这是又为什么呢？

（5）大小端介绍

什么是大小端：

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。

为什么会有大端和小端：

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，对于位数大于八位的处理器，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在低地址中，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KETL 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。

（6）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：

大小端字节序的概念前面已经介绍过了，这里我们来介绍一下判断程序。
算法：
其实想实现这个功能很简单，我们知道一个整型变量在内存中占4个字节，我们只需把它的第一个字节中的内容拿出来比较一下就能判断出来了。
这里我们来定义一个最简单的变量1，如果是大端模式，那么低地址的内容就是00，如果是小端模式，低地址的内容就是01.

代码如下：

#include <stdio.h>

int check_sys()
{
	int a = 1;
	char*p = (char*)&a;
	if (*p == 1)
		return 1;//小端
	else
		return 0;//大端
}

int main()
{
	//写一个代码，告诉我们，当前机器是采用大端还是小端？
	int a = 1;
	//写一下代码
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}

	else
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

拿整型变量地址的最低位我们采用的方法是将这个整型变量地址的内容存放在字符型指针中去，我们知道字符型指针只能存放一个字节的内存，所以自然而然的就只是存放了整型变量的低位内容。

我们来看一下运行结果：

结果证明当前电脑的机器字节序是小端字节序。

当然，大家知道这是一道面试题，我们在完成的时候不应该仅仅想的是程序能够完成，更要想的是使我们这段代码更加高效，和简洁。接下来再来对上面的代码进行一下改进
代码：

#include <stdio.h>

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

int main()
{
	//写一个代码，告诉我们，当前机器是采用大端还是小端？
	int a = 1;
	//写一下代码
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}

	else
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

由于低地址的值不是0就是1，所以我们可以直接通过解引用将字符指针的值返回过去，这样的代码就会显得更加的高效和上档次。

（6）练习

第一题：

#include <stdio.h>

int mian()
{
    char a = -1;
    signed char b = -1;
    unsigned char c = -1;
    printf("a = %d , b = %d , c = %d",a,b,c);
    return 0;
}

这道题我们定义了三个字符型变量最后通过整型的形式打印出来。很显然这里要发生我们前面介绍过的整型提升，将字符型变量提升成整型变量。

前面我们说过char定义的字符型变量是有符号还是无符号是由编译器决定的，所以这里我们先放在一边。

接下来我们来分析有符号变量b的打印结果：

整型-1在计算机中的存储结果本应是11111111111111111111111111111111，由于这三个变量是字符型变量，所以只存储了-1的第八位。

b在计算机中的存储应该是11111111，第一位的1表示符号位，整型提升有符号数高位补1，无符号数高位补0.所以b整型提升后应该是11111111111111111111111111111111，他的原码是10000000000000000000000000000001即就是-1.

c在计算机中的存储应该是11111111，他提升后应该是0000000000000000000000001111111，由于这个数是无符号数，所以他的原反补相同，所以c的结果应该是255。

接下来我们看看a的值就可以知道char定义的变量是有符号的还是无符号的。

运行结果：

可以看到，结果正如我们所分析的一样，而在我当前的编译器下char定义的变量是有符号的。

第二题：

int main()
{
	char a = -128；
	printf("%u\n", a);//打印无符号整形
	return 0;
}

很显然这道题也要发生整型提升，接下来我们来分析一下。

-128的二进制序列是10000000000000000000000010000000，反码是11111111111111111111111101111111，补码是10000000000000000000000010000000
a的内存存储是100000000，这里需要注意%u是打印无符号整型，所以字符型变量a需要整型提升成无符号整型变量，整型提升的结果是1111111111111111111111110000000，由于是无符号整型，原反补像相同，所以这个二进制序列的值应该是4294967168。

运行结果：

第三题：

int main()
{
	char a = 128；
	printf("%u\n", a);//打印无符号整形
	return 0;
}

这道题其实和上一道题十分相似，虽然两个整数的符号位不同，但是他们存放到字符变量a里的值都是10000000，所以提升后的结果和上一道题是相同的。

运行结果：

第四题：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int i = -20;
	unsigned int j = 10;
	printf("%d\n", i + j);//-10
	return 0;
}

这道题很明显要发生整型提升，因为%d打印的是有符号整型变量。
-20的原码是10000000000000000000000000010100，反码是11111111111111111111111111101011，补码是11111111111111111111111111101100
10的补码是00000000000000000000000000001010
相加之后的结果是11111111111111111111111111110110为补码形式，它的原码是10000000000000000000000000001010，即就是-10.

运行结果：