C语言进阶【4】---数据在内存中的存储【1】（你不想知道数据是怎样存储的吗？）

本章概述

整数在内存中的存储
大小端字节序和字节序判断
- - - 练习1
    - 练习2
    - 练习3
    - 练习4
    - 练习5
    - 练习6
彩蛋时刻！！！

整数在内存中的存储

回忆知识：在讲操作符的那章节中，对于整数而言咱们讲过原码，反码和补码。整数分为有符号整数和无符号整数。有符号整数又分为正整数和负整数。对于有符号整数在内存中的存储为：1个符号位，剩下的全是数值位。对于无符号整数在内存中的存储为：全是数值位。对于有符号整数而言：符号位为1，表示这个整数为负数，符号位为0，表示这个整数为正数。对于负整数，它的原码，反码和补码是不同的。对于正整数和无符号整数，它们的原码，反码和补码是一样的。对于整数而言，我们在内存中存的是它们的补码。（只有整数才有原码，反码和补码的概念）
为什么要有原码，反码和补码的概念呢？ 在计算机中，整数在内存中存的是它的补码。计算机中只有CPU加法处理器，没有CPU减法处理器。举个例子：

//   我们写个数学式子：5-2=3；在数学中（日常生活中）我们都是直接这样写，没啥问题。
//	但在计算机中只有CPU加法处理器，所以我们要这样写：5+（-2）=3。我们要写成加法才能进行运算。

所以当我们把整数以补码的形式存在内存中时，就可以把符号位也参与计算，这样就省了很多硬件设施。我们就以5+（-2）=3为例子进行展示计算过程：

//	5----原码： 00000000 00000000 00000000 00000101 （正整数的原码，反码和补码是一样的）
//       反码： 00000000 00000000 00000000 00000101 
//       补码： 00000000 00000000 00000000 00000101// -2----原码： 10000000 00000000 00000000 00000010
//       反码： 11111111 11111111 11111111 11111101 （原码取反）
//       补码： 11111111 11111111 11111111 11111110 （反码+1）//  5        00000000 00000000 00000000 00000101+（-2）      11111111 11111111 11111111 11111110 =        00000000 00000000 00000000 00000011 （符号位为0，正整数的原码，反码和补码相同）3所以，以补码的形式存在内存中，符号位也就可以参与计算。

给大家提个小小的总结：整数在内存中是以补码的形式存储，而我们要打印的整数是以原码的形式取出的。

大小端字节序和字节序判断

大小端字节序：前面，咱们在C语言内存函数那章节中，提到过大小端字节序。咱们提到过，整形数据在内存中，它的数值位和地址位是相反的——地位数据放在低地址处，高位数据放在高地址处。进行结果调试图展示：
我们创建的int i占有4个字节，我们知道每4个bit位，为1个16进制位，所以我们创建的int i能够存储的下，每个字节放两个16进制位。但是，为什么整形数据，在内存中的每个字节,存储的数据与我们的数据顺序不一样呢？这就要引出大小端字节序了。
为什么会有大小端字节序呢？
先说个结论：当任何数据的空间大小超过1个字节的时候，就要考虑数据存放的顺序了。举个生活中的例子来理解：月饼大家都吃过吧，我们知道一个月饼礼盒里面装有很多的月饼，一个月饼礼盒就相当于一块内存，里面的每个月饼就相当于一个个数据。我们知道，里面的月饼使用小盒包装的，这些小盒包装就相当于1个字节。当我们把很多的小盒月饼放进这个礼盒的时候，就要考虑存放的顺序了，比如，先放五仁馅，还是先放草莓馅。这就要考虑放的先后顺序了。这也就是为什么当数据超过1个字节的时候，要考虑存放的顺序了。如图所示：
只要我们能顺利且正确的拿出我们想要的数据，理论上我们可以随便存放数据（只要我们把月饼有秩序的摆好在礼盒中，我们想吃什么口味的月饼，就可以直接拿）。比如，我们存放int i=0x11223344,我们可以分为三大类进行存储，如图所示：
只要你能正确的取出想要的数据，你可以随意排序。但是，为了使C语言更有普及性，就规定了标准，对于整形数据的存储要不采用大端字节序，要不采用小端字节序。具体使用那种方法由编译器决定。我们常见的是小端字节序。
大小端字节序的概念：
- 大端字节序：在数据中，从左向右，左端是高位数据，右端是低位数据。高位数据存放在低地址处，低位数据存放在高地址处。（提要：在地址中，左端为低地址，右端为高地址，所取的这个数据地址为这个数据的低地址）如图所示;
- 小端字节序：高位数据放在高地址处，低位数据放在低地址处。如图所示：

练习1

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。（10分）-百度笔试题。

//  思路讲解：我们知道大小端字节序是按单个字节来计算的（排序的），所以我们可以创建一个简单的数据
，对其访问一个字节，就OK。比如，int i =1; 1的大端字节序为 00 00 00 01。1的小端字节序为 01 00 00 00。
当我们访问1的一个字节时，如果访问的数据是0，它就是大端字节序，访问的数据是1，它就是小端字节序。

进行代码展示：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
int check()
{int i = 1;return *(char*)&i;
}
int main()
{/*int i = 0x11223344;*/if (check() == 0)printf("大端字节序");elseprintf("小端字节序");return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述
还有第二种代码，这个代码要用到联合体，进行代码展示：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>union un
{char i;int x;
}s;
int main()
{s.x = 1;if (s.i== 0)printf("大端字节序");elseprintf("小端字节序");return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述
联合体这个知识点，咱们后面会讲解的，大家现在先了解一下。

练习2

大家可以先猜一下这个代码的运行结果。

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#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;}

结果运行图：在这里插入图片描述
不知道大家猜出结果没？咱们接下来进行讲解。

//	-1    10000000 00000000 00000000 00000001	原码11111111 11111111 11111111 11111110   反码11111111 11111111 11111111 11111111   补码
// 由于char 只占一个字节，所以-1要发生数据截断，要截取低位数据放到char的空间中
char i =-1          11111111
signed char =char   11111111
unsigned char       11111111%d是打印有符号整数的占位符，char ,signed char ,unsigned char这些数据类型都只有一个字节，不够整形，这个时候就要发生整形提升。
char i =-1         11111111
整形提升            11111111  11111111 11111111 11111111   补码10000000  00000000  00000000  00000001	原码（补码取反+1）打印 -1
signed char =char   和char是一样的过程和结果  打印 -1
unsigned char      00000000  00000000  00000000  11111111 补码00000000  00000000  00000000  11111111 原码（正整数和无符号整数原码，反码和补码相同）打印 255

练习3

大家猜一下运行的结果-----------代码1。

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>int main(){char a = -128;printf("%u\n", a);return 0;}

结果运行图：在这里插入图片描述
进行代码解释：

-128  10000000 00000000 00000000 10000000  原码11111111 11111111 11111111 01111111  反码11111111 11111111 11111111 10000000  补码%u打印的是无符号整形
char a          10000000   补码整型提升    11111111 11111111 11111111 10000000  补码（被%u当成无符号整形，全是数值位）11111111 11111111 11111111 10000000   原码打印 4294967168

代码2。

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>int main(){char a = 128;printf("%u\n", a);return 0;}

结果运行图：在这里插入图片描述
进行代码解释：

128      00000000 00000000 00000000 10000000  补码
char a              1000000011111111 111111111 11111111 10000000     整形提升11111111 111111111 11111111 10000000    原码打印 4294967168

通过上面的3个代码练习，不知道大家有没有感知到什么重要的信息没有？重要信息——数据类型的意义。它有两个意义：1.数据类型决定了我们申请空间的大小和访问空间的多大权限。比如，char能申请1个字节，int 能申请4个字节，char* 只能访问一个字节的空间，int*能访问4个字节的空间（这就是权限）2.数据类型决定了我们如何看待这个数据。比如，-1为整形，但是想放到char里面，就要发生数据截断。%d打印的是有符号整形数据，在%d眼里面，数据就是无符号整形，在%u眼里面，数据就是无符号整形。

练习4

大家猜一下运行的结果。

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>int main(){char a[1000];int i;for (i = 0; i < 1000; i++){a[i] = -1 - i;}printf("%d", strlen(a));return 0;}

结果运行图：在这里插入图片描述
进行代码解释：

观察这个代码，我们能够分析出来，它是给数组赋值的代码，我们先不考虑为什么结果与我们的预期不一样。
由分析可知，最终赋值的结果为 -1 ，-2 ，-3，-4……-128，-129，-130……-1000。照咱们这样分析的话，
结果应该是1000，为什么是255呢？

这就要好好来分析一下char这个数据类型了，我们知道chart是字符类型，用来定义字符的。但是，前面咱们也遇到过char定义整形的，比如，char i=128;咱们讲个重要的知识点，char类型（包括unsigned char）是整形的一种特殊形式，它不仅可以定义字符，还可以定义整数。那么接下来，我们来分析一下char。

char占有1个字节，分为char和unsigned char 进行讨论
char里面的可能存储（-128~127）				          
1位符号位，7位数值位		
0000 0000 --0						 
0000 0001 --1                 
0000 0010 --2                                    
0000 0011 --3
0111 1111 --127                              
……                   整形提升                                      原码
1000 0000 -- 11111111 11111111 11111111 10000000--10000000 00000000 00000000 10000000  -128    
1000 0001 -- 11111111 11111111 11111111 10000001--10000000 00000000 0000000  01111111-127                                 
1000 0010--  -126                              
……                                         
1111 1111 -- 11111111 11111111 11111111 11111111--10000000 00000000 00000000 00000001 1

我们把char的所有情况已经列出来了，我们发现它最终又回到原来起始的数值，我们可以画个它的数值循环图，如图所示：在这里插入图片描述
当我们的数值超过char的范围的时候，就要重新开始。

unsigned char里面的存储（0~255）
全是数值位
0000 0000 --0
0000 0001 --1
0000 0010 --2
……
1111 1111 --255

unsigned char也符合一个循环图，如图所示：在这里插入图片描述
有了上面的知识铺垫，咱们就可以分析我们上面的代码了，分析如下：

我们知道strlen函数统计的是' \0'前面的数据，遇到' \0'就停止了。我们讲过字符' \0'的AS||值是0，
所以当统计的是字符时，strlen遇到' \0'就停止，统计的是' \0'前面的数据。当统计的是整数时，
遇到0就停止，统计0之前的数据。
char a[1000] -1,-2,-3,……-128，127，126，……0（遇到0停止）。
所以，输出结果：255

大家可以类比一下int和unsigned int ，可以自行画个循环图。

练习5

大家猜一下运行的结果。

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
int main()
{unsigned char i = 0;for (i = 0; i <= 255; i++){printf("hello world\n");}return 0;}

结果运行图：在这里插入图片描述
我们发现，结果直接死循环，为什么会这样呢？接下来进行分析：

unsigned char 的取值范围：0~255 。因为条件是：i<=255.所以当i增加到255时，还是符合条件的，
继续执行程序，只有增加到256时，才会停止程序。前面，由咱们画的循环图可知，
当大于255时就回到起始数值0，以此（0），再次参与计算，因此就会死循环。

我们来个举一反三，看如下的代码：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
int main()
{unsigned int i;for (i = 9; i >= 0; i--){printf("%u\n", i);}return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述
可以看出来，结果也是死循环。这个结果的原因和刚才代码的原因是相同的，大家可自行分析一下。

练习6

大家猜一下运行的结果（注意：在X86条件下运行代码）。

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	1
#include <stdio.h>
//X86环境 ⼩端字节序
int main()
{int a[4] = { 1, 2, 3, 4 };int* ptr1 = (int*)(&a + 1);int* ptr2 = (int*)((int)a + 1);printf("%x,%x", ptr1[-1], *ptr2);return 0;
}

结果运行图：在这里插入图片描述
进行代码讲解：&a取出的是整个数组的地址，&a+1跳过整个数组（这些都是前面的知识点，忘记的同学自行回顾去！！！）。如图所示：
我们先来分析一下这两个代码：int* ptr1 = (int*)(&a + 1);和ptr1[-1]。
int* ptr1 = (int*)(&a + 1);这个代码中，（&a+1）取到的是4后面的空间地址。然后，把数组指针转为int*指针——（int *）(&a+1),赋值于ptr1。到目前为止，ptr1[-1]这种数组的访问方式还是第一次见，[-1]的意思就是，在原来的位置上往前访问1个空间，[-2]就是在原来的位置上往前访问2个空间。如图所示：在这里插入图片描述
所以，ptr1[-1]访问的结果是4.
我们再来解释一下这两个代码：int * ptr2 = (int *)((int)a + 1);和 *ptr2。数组名就是地址（首元素的地址），（int）a就是把地址转换成了整形。假设，a的地址就是 0x11223344,(int)之后这个地址编号就变成了整形数据了，它不再是地址了。所以，（int）a+1就是个普通的整形计算，0x11223344+1=0x11223345。然后。把这个值赋值再转换位整型指针—— (int *)((int)a + 1)赋值给ptr2。所以，当我们 *ptr2访问的就是个很大的整数——2000000。

彩蛋时刻！！！

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每章一句：心中有火，眼里有光。感谢你能看到这里，点赞+关注+收藏+转发是对我最大的鼓励，咱们下期见！！！