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C++深入分析数据在内存中的存储形态

作者：殿下p

使用编程语言进行编程时，需要用到各种变量来存储各种信息。变量保留的是它所存储的值的内存位置。这意味着，当您创建一个变量时，就会在内存中保留一些空间。您可能需要存储各种数据类型的信息，操作系统会根据变量的数据类型，来分配内存和决定在保留内存中存储什么

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：

#include <stdio.h>
int 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：

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：

#include <stdio.h>
int 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：

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：

#include <stdio.h>
int 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;
}

到此这篇关于C++深入分析数据在内存中的存储形态的文章就介绍到这了,更多相关C++数据在内存中的存储内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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