九深度剖析数据在内存中的存储-创新互联

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一.整形在内存中的存储

1.原码,反码,补码

(1)正数的原反补码

(2)负数的原反补码 

2.大小端介绍

二.浮点型在内存中的存储

1.浮点型的存储

2.浮点型的读取


一.整形在内存中的存储 1.原码,反码,补码

计算机中的整数有三种2进制表示方法,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”。

(1)正数的原反补码

将原码转为二进制得到的就是该正数的原码

例:

int a=10;
//00000000 00000000 00000000 00001010 --原码

正数的原反补码都相同,所以:

int a=10;
//00000000 00000000 00000000 00001010 --原码
//00000000 00000000 00000000 00001010 --反码
//00000000 00000000 00000000 00001010 --补码
(2)负数的原反补码 

负数的符号位(最高位)用‘1’来表示,所以将负数转为二进制后加上符号位‘1’就是负数的原码

例:

int a=-10;
//10000000 00000000 00000000 00001010 --原码

反码:符号位不变,其他位按位取反 

int a=-10;
//11111111 11111111 11111111 11110101 --反码

补码:反码加一

int a=-10;
//11111111 11111111 11111111 11110110 --补码

综合:

int a=-10;
//10000000 00000000 00000000 00001010 --原码
//11111111 11111111 11111111 11110101 --反码(符号位不变,按位取反)
//11111111 11111111 11111111 11110110 --补码(反码加一)

对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码。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:

1.使用补码,可以将符号位和数值域统一处理;
2.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。

2.大小端介绍

我们可以通过编译器(本篇采用vs2022)来查看一下在内存中的数据

引例:

#includeint main()
{
    int a = 10;
    return 0;
}

//a=10;
//00000000 00000000 00000000 00001010 --原码
//00000000 00000000 00000000 00001010 --反码
//00000000 00000000 00000000 00001010 --补码
//00 00 00 0a --16进制

步骤: 

  1. 按F11键逐步调试到a变量创建完成;
  2. 单击“调试”菜单,选择“窗口”命令,在子菜单中选择“内存”命令。
  3. 最后,在打开的“内存”窗口中搜索框输入“&a”,即可查看。

可以看到a的地址是倒着存放的,但有不完全倒着放,这是为什么呢?

这就和大小端存储模式有关系了

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。

为什么会有大小端呢?

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8 bit。但是在C语言中除了8 bit的char之外,还有16 bit的short型,32 bit的long型(要看具体的编译器),另外,对于位数大于8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何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。

二.浮点型在内存中的存储

我们先来看一段代码,来猜下结果:

引例:

#includeint main()
{
	int a = 9;
	float* p = (float*)&a;
	printf("a的值为:%d\n", a);
	printf("*p的值为:%f\n", *p);
	*p = 9.0;
	printf("a的值为:%d\n", a);
	printf("*p的值为:%f\n", *p);
	return 0;
}

答案:

是不是很出乎意料?下面跟我一起来解开心中的奥秘吧!

1.浮点型的存储

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:

  • (-1)^S * M * 2^E
  • (-1)^s表示符号位,当s=0,V为正数;当s=1,V为负数。
  • M表示有效数字,大于等于1,小于2。
  • 2^E表示指数位。

例:

(1)十进制的9.0,写成二进制是 1001.0 ,相当于 1.001×2^3 。S=0,M=1.001,E=3。
(2)十进制的-5.0,写成二进制是 -101.0 ,相当于 -1.01×2^2 。S=1,M=1.01,E=2

IEEE 754规定:
对于32位的浮点数,最高的1位是符号位s,接着的8位是指数E,剩下的23位为有效数字M。

对于64位的浮点数,最高的1位是符号位S,接着的11位是指数E,剩下的52位为有效数字M。

IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别规定。
前面说过, 1≤M<2 ,也就是说,M可以写成 1.xxxxxx 的形式,其中xxxxxx表示小数部分。
IEEE 754规定,在计算机内部保存M时,默认这个数的第一位总是1,因此可以被舍去,只保存后面的xxxxxx部分。比如保存1.01的时候,只保存01,等到读取的时候,再把第一位的1加上去。这样做的目的,是节省1位有效数字。以32位浮点数为例,留给M只有23位,将第一位的1舍去以后,等于可以保存24位有效数字。
至于指数E,情况就比较复杂。
首先,E为一个无符号整数(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10+127=137,即
10001001

例如:

float a = -9.5;  

-9.5(十进制)--1001.1(二进制)--1.0011*2^3

S=1, M=1.0011, E=3

a = -9.5;
//s=1,M=1.0011,E=3;
//1 10000010     00110000000000000000000
//S E=3+127=130  M=1.0011 最前面的1被舍弃
2.浮点型的读取

浮点型的读取根据指数E的不同分三种情况:

(1)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。就是将存储步骤反过来执行。

(2)E全为0
这时,浮点数的指数E等于1-127=-126(或者1-1023=-1022)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。

(3)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)。

最后,讲解一下引例:

#includeint main()
{
	int a = 9;  --1001(二进制序)
    //整形数据:a以补码存储在内存中:
    //00000000 00000000 00000000 00001001 --补码
	float* p = (float*)&a;
    //打印结果为9
	printf("a的值为:%d\n", a);  
    //以浮点型打印时,读取整形数据a的地址
    //S=0 E=00000000 M=000000……000001001 E全为0,是一个无限接近于0的数,所以打印结果为0.000000
	printf("*p的值为:%f\n", *p);
	*p = 9.0;   --1001(二进制序)
    //a的内存发生改变,由整形变为浮点型:
    //S=0,E=3 M=00100……0000
    //以浮点型存储在内存中:0 10000010 0010000……000000
	printf("a的值为:%d\n", a);  //以整形读取a,打印结果为1091567616
	printf("*p的值为:%f\n", *p);  //打印结果为9.000000
	return 0;
}

本篇到此结束,码文不易,还请多多支持哦!!

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