【C语言】整型数据在内存中的存储(详解)

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数据类型

我们知道，C语言中有很多不同的数据类型

在cppreference.com网站上可以找到C语言中的不同类型【链接】

先来认识一个不那么常见的类型

布尔类型

C99中引入了布尔类型 _Bool
实质：把1和0变成ture和false

#include<stdbool.h>

int main()
{
	_Bool flag = true;
	if(flag)
	{
		printf("hehe\n");
	}
	return 0;
}

代码的效果如下：

因为布尔类型和以1-0来判断正误的作用是相同的

所以这个类型我们一般不会使用

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无符号数据的打印

Unsigned无符号数用%u打印

• 用%d打印的时候，认为是有符号数
• 用%u打印无符号数的时候，负数会乱码

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我们知道，整型数据在内存中占用4个字节（32位），double类型是8个字节

不同数据占用的字节

在之前的学习中，我们已经知道了如何使用这些不同的数据类型

但是你知道，数据在内存中是怎么存储的吗？

这篇博客将带你认识整型在内存中的存储

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整型在内存中的存储

先来认识一下整型家族都有谁吧！

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]

我们平时用的最频繁的int其实是signed int

char到底是signed char还是unsigned char，取决于编译器的实现

常见的编译器下，char就是signed char

在知道整型在内存中的存储方式之前

我们需要先认识一下三个好朋友“原 反 补”

“原反补”三兄弟

正整数：原反补码相同

负整数：

原码	按照一个数的正负直接写出来的二进制
反码	符号位不变，其他位按位取反
补码	反码的二进制序列+1，得到补码

二进制要怎么写出来呢？

下面以15为例（前面省略了24位）

每一个1都是2的权重

这就是二进制和十进制转换的方式

而15作为正数，原反补码都是这个二进制数

00000000 00000000 00000000 00001111

正数的原反补码相同

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什么是符号位？

每一个整型都有4个字节，由32个bit位组成

其中原码的第一位，就是该二进制的符号位

正数为0，负数为1

最高位为符号位，后面的是有效位

再举个-15的例子

10000000 00000000 00000000 00001111	原码
11111111 11111111 11111111 11110000	反码
11111111 11111111 11111111 11110001	补码

为了进一步了解数据在内存中的存储方式，我们将15的==补码==转化为十六进制

每4个二进制比特位对应一个十六进制数，转换结果如下

00000000	00000000	00000000	00001111
00	00	00	0F

可当我们在VS编译器-监视-内存窗口里面查看15数据的时候

展示的是以下的16进制形式

可以看到，内存中存储的十六进制，和我们计算出来的是==反着的==

这又是为什么呢？

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大小端问题

高位低位来自于人类从左到右的阅读习惯。所以一串二进制数，左侧为高位，右侧为低位

大端字节序存储：

当一个数据的低字节的数据存放在高地址处，高字节序的内容放在了低地址处，这种存储方式就是大端字节序存储

小端字节序存储：

当一个数据的低字节数据存放在低地址处，高字节序的内容放在了高地址处，这种存储方式就是小端字节序存储

简称：小同大异

而我们图中VS内存窗口显示的这种“反着放”的方式，是因为：

• VS编译器下，内存窗口显示的是左低右高
• 二进制码是高00000000 00000000 00000000 00001111低

所以VS编译器是小端存储的

而如果是以低00 00 00 0f高的方式放入内存，则是大端字节序存储

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负数示例

int b=-10；

原码10000000	00000000	00000000	00001010
反码11111111	11111111	11111111	1110101
补码11111111	11111111	11111111	11110110
f f	f f	f f	f 6

了解了大小端的机制之后，我们可以来写一个简单的函数

判断当前编译器是大端还是小端

#include <stdio.h>
int check_sys()
{
	int a=1;
	char*p=(char*)&a;
	if(1==*p)
		return 1;
	else
		return 0;		
}

int main()
{
	int b=check_sys(); 
	if(1==b)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
    
	return 0;
 } 

这串代码的自定义函数部分可以进行优化

因为*p=1时返回1

其他情况返回0

所以可以选择直接返回*p

//代码优化2 
int check_sys()
{
	int a=1;
	char*p=(char*)&a;
	return *p;	
}

进一步优化，我们可以把(char*)&a直接进行解引用并返回他的值

这样就能跳过中间变量p

//代码优化3
int check_sys()
{
	int a=1;
	return *(char*)&a;	
}

这里有两个问题需要注意：

不能直接对a进行强制类型转换，这种方式是错的

大小端是把数据放在内存之后才有的现象

大小端讲的是以字节为单位的顺序

char类型只有一个字节，没有大小端问题

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为什么整型在内存中存放的是补码呢？

在计算机系统中，数值一般用补码来表示和存储，原因在于，试用补码，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，补码与反码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

计算机中只有加法器，减法用加法来模拟

1-1→1+(-1)

如果用原码的计算：

00000000 00000000 0000000 00000001	+
10000000 00000000 0000000 00000001	=
10000000 00000000 0000000 00000010	-2 错误

补码：

00000000 00000000 0000000 00000001	1原
10000000 00000000 0000000 00000001	-1原

它们的补码

00000000 00000000 00000000 00000001 +	1的补码
11111111 11111111 1111111 11111111 =	-1的补码
00000000 00000000 0000000 00000000	结果为0

其中第一个1为符号位

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结语

到这里，整型在内存中存储的基本知识就已经讲完啦

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