【C语言】数据在内存中的存储 - 指南

在这里插入图片描述

前言

在C语言及底层开发中，数据在内存中的存储是核心基础知识点，直接影响程序的正确性、效率及跨平台兼容性。很多开发者在遇到类型转换异常、跨平台数据传输错误、调试时内存值与预期不符等问题时，根源往往是对内存存储规则理解不透彻。本文将从整数存储、大小端字节序、浮点数存储三个维度，结合原理推导、代码案例、调试过程，全方位拆解数据存储的底层逻辑，帮你彻底吃透这一知识点。

一、整数在内存中的存储

整数作为编程中最常用的数据类型，其二进制表示有三种形式：原码、反码、补码。这三种编码的核心作用是解决“符号位如何参与运算”的问题，最终实现“加法统一减法”的底层逻辑。

1.1 编码的通用结构

无论是原码、反码还是补码，都由两部分组成：

符号位：占1位，位于二进制的最高位。0表示正数，1表示负数。
数值位：剩余的位，用于表示数值的大小。例如32位int类型，符号位占1位，数值位占31位。

1.2 正整数的编码规则

正整数的原码、反码、补码完全相同，无需额外转换，直接将十进制数翻译成二进制即可。

示例：int类型的5（32位）
- 二进制数值：00000000 00000000 00000000 00000101
- 原码 = 反码 = 补码 = 00000000 00000000 00000000 00000101

1.3 负整数的编码规则

负整数的三种编码差异显著，转换需遵循固定流程：

原码：直接将数值的绝对值翻译成二进制，再将最高位设为1（符号位）。
反码：符号位保持不变，数值位按位取反（0变1，1变0）。
补码：反码的基础上加1（若加1后有进位，需依次进位，直至无进位）。

详细示例：int类型的`-5`（32位）

绝对值5的二进制：00000000 00000000 00000000 00000101。
原码：最高位置1 → 10000000 00000000 00000000 00000101。
反码：符号位不变，数值位取反 → 11111111 11111111 11111111 11111010。
补码：反码加1 → 11111111 11111111 11111111 11111011。

1.4 核心结论：内存中存储的是补码

计算机系统最终选择补码作为整数的存储形式，而非原码或反码，核心原因有三点：

① 符号位与数值域统一处理：无需额外硬件电路区分符号位和数值位，运算时可直接参与计算；
② 加法统一减法：CPU仅需设计加法器，减法运算可通过“加上减数的补码”实现（例如a - b = a + (-b)的补码）；
③ 转换规则统一：补码转原码的流程与原码转补码完全一致（补码→反码→加1），无需额外逻辑。

实战验证：减法运算的底层实现

计算3 - 5（即3 + (-5)），通过补码验证：

3的补码：00000000 00000000 00000000 00000011；
-5的补码：11111111 11111111 11111111 11111011；
相加结果：00000000 00000000 00000000 00000011 + 11111111 11111111 11111111 11111011 = 11111111 11111111 11111111 11111110；
结果转原码：先取反（10000000 00000000 00000000 00000001），再加1 → 10000000 00000000 00000000 00000010（即-2），与预期结果一致。

二、大小端字节序

当数据占用的字节数超过1（如short、int、long等类型）时，就会面临“多个字节如何在内存地址中排列”的问题，这就是大小端字节序的核心。理解大小端是跨平台开发、数据序列化（如网络传输、文件存储）的关键。

2.1 大小端的严格定义

首先明确两个关键概念：

高位字节：数据二进制中权重较高的字节。例如0x11223344（32位int），0x11是最高位字节，0x22次之，0x44是最低位字节；
内存地址：内存以字节为单位划分，每个字节对应唯一的地址，地址从低到高依次递增（如0x005DF848、0x005DF849、0x005DF84A…）。

基于以上概念，大小端的定义如下：

大端（Big-Endian）模式：数据的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址处。
小端（Little-Endian）模式：数据的低位字节存储在内存的低地址处，高位字节存储在内存的高地址处。

2.2 直观示例：0x11223344的存储方式

假设int变量a = 0x11223344，存储在内存地址0x005DF848开始的4个字节中，两种模式的存储差异如下：

内存地址	大端模式存储内容	小端模式存储内容
0x005DF848（低地址）	0x11（最高位字节）	0x44（最低位字节）
0x005DF849	0x22	0x33
0x005DF84A	0x33	0x22
0x005DF84B（高地址）	0x44（最低位字节）	0x11（最高位字节）

在这里插入图片描述

通过调试工具观察，X86架构（PC、服务器常用）中，内存显示为44 33 22 11，正是小端模式，与示例一致。

2.3 大小端存在的根本原因

计算机系统以“字节”为基本存储单位（1字节=8bit），但CPU的寄存器宽度（如16位、32位、64位）往往大于1字节。当CPU读取多字节数据时，需要明确“先读取哪个地址的字节”，不同硬件厂商的设计选择不同，最终形成了两种模式：

大端模式：符合人类的阅读习惯（从高位到低位），常见于早期大型机、KEIL C51编译器、部分网络协议（如TCP/IP）；
小端模式：更符合CPU的运算逻辑（从低位开始运算），常见于X86架构、大部分ARM处理器、DSP芯片，是目前主流模式。

2.4 面试考题：大小端判断的两种实现方案

判断当前机器的字节序是高频面试题，核心思路是：利用“多字节数据的最低位字节在小端模式下会存储在低地址”的特性，通过代码读取低地址的字节值来判断。

方案1：指针强制转换（最简洁）

#include <stdio.h>
  // 返回1：小端；返回0：大端
  int check_endian() {
  int i = 1; // 二进制：00000000 00000000 00000000 00000001
  char *p = (char *)&i; // 强制转换为char*，仅读取第一个字节（低地址）
  return *p; // 小端：低地址存0x01，返回1；大端：低地址存0x00，返回0
  }
  int main() {
  if (check_endian() == 1) {
  printf("当前机器是小端模式\n");
  } else {
  printf("当前机器是大端模式\n");
  }
  return 0;
  }

方案2：共用体（union）特性（更易理解）

共用体（union）的核心特性是“所有成员共享同一块内存空间”，利用这一特性可直接读取低地址的字节：

#include <stdio.h>
  int check_endian() {
  union {
  int i; // 4字节
  char c; // 1字节（共享i的低地址字节）
  } un;
  un.i = 1; // 给i赋值，c会读取i的低地址字节
  return un.c; // 逻辑与方案1一致
  }
  int main() {
  printf("当前机器是%s模式\n", check_endian() ? "小端" : "大端");
  return 0;
  }

2.5. 经典练习解析

以下练习均来自实际面试题，核心考察“大小端+整数存储+类型转换”的综合应用：

练习1：unsigned char与signed char的差异

#include <stdio.h>
  int main() {
  char a = -1;
  signed char b = -1;
  unsigned char c = -1;
  printf("a=%d, b=%d, c=%d\n", a, b, c); // 输出：-1, -1, 255
  return 0;
  }

解析：
1. char默认是signed char（部分编译器除外），存储-1的补码为0xFF（8位）。
2. 打印时按%d（int类型）输出，会发生“符号扩展”：
- signed char：符号位为1，扩展后补码为0xFFFFFFFF（32位），转原码为-1。
- unsigned char：无符号位，扩展后补码为0x000000FF，对应十进制255。

练习2：char类型存储超出范围的值

#include <stdio.h>
  int main() {
  char a = 128;
  printf("%u\n", a); // 输出：4294967168
  return 0;
  }

解析：

signed char的取值范围是-128~127，128超出范围，发生“溢出”。
128的二进制为10000000，存储为signed char时，补码为10000000（对应-128）。
按%u（无符号int）输出，符号扩展为0xFFFFFF80，十进制为4294967168。

练习3：无限循环的陷阱

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

解析：
1. unsigned char的取值范围是0~255，无负数。
2. 当i=255时，i++会溢出，结果为0，永远满足i <= 255，导致无限循环。

练习4：数组与指针的内存访问

#include <stdio.h>
  int main() {
  int a[4] = {1, 2, 3, 4};
  int *ptr1 = (int *)(&a + 1);
  int *ptr2 = (int *)((int)a + 1);
  printf("%x, %x\n", ptr1[-1], *ptr2); // 输出：4, 2000000
  return 0;
  }

解析（假设小端模式，int为4字节）：

a的内存布局（低地址到高地址）：01 00 00 00 02 00 00 00 03 00 00 00 04 00 00 00。
&a是数组指针（类型为int(*)[4]），&a + 1指向数组末尾后4字节，ptr1[-1]等价于*(ptr1 - 1)，指向数组最后一个元素4。
(int)a是数组首地址的数值，(int)a + 1指向首地址后1字节，即00 00 00 02（小端模式下），解析为int是0x02000000（即2000000）。

三、浮点数的存储：IEEE 754标准的深度拆解

浮点数（float、double、long double）的存储规则与整数完全不同，遵循IEEE 754国际标准。这也是为什么“同一个内存值，按整数和浮点数解析结果完全不同”的核心原因。

3.1 浮点数的科学计数法表示

任意二进制浮点数V，都可以表示为以下形式（类似十进制的科学计数法）：
[ V = (-1)^S \times M \times 2^E ]

S（符号位）：0表示正数，1表示负数，仅占1位；
M（有效数字）：满足1 ≤ M < 2，形式为1.xxxxxx（xxxxxx为小数部分）；
E（指数位）：决定浮点数的数量级，可为正数或负数。

示例：十进制浮点数的二进制转换

十进制5.0 → 二进制101.0 → 科学计数法1.01 × 2^2 → S=0，M=1.01，E=2；
十进制-5.0 → 二进制-101.0 → 科学计数法-1.01 × 2^2 → S=1，M=1.01，E=2；
十进制0.5 → 二进制0.1 → 科学计数法1.0 × 2^(-1) → S=0，M=1.0，E=-1。

3.2 IEEE 754的内存分配规则

IEEE 754标准为32位float和64位double规定了明确的内存分配方案：

类型	总位数	符号位（S）	指数位（E）	有效数字位（M）
float	32	1（第31位）	8（第23-30位）	23（第0-22位）
double	64	1（第63位）	11（第52-62位）	52（第0-51位）

3.3 浮点数的存储流程

浮点数存储时，会对M和E进行特殊处理，以节省存储空间并统一格式：

步骤1：处理有效数字M

由于1 ≤ M < 2，M的整数部分永远是1，IEEE 754规定：存储时只保留小数部分，整数部分的1默认省略，读取时再补回。

示例：

M=1.01 → 存储时仅保留01（23位不足时补0）；M=1.10101 → 存储时保留10101。

步骤2：处理指数E

E是带符号整数（可正可负），但存储时需转为无符号整数，方法是加上一个“中间数”（偏移量）：

float（E为8位）：中间数=127（取值范围0-255）；
double（E为11位）：中间数=1023（取值范围0-2047）。
示例：E=2（float）→ 存储值=2+127=129（二进制10000001）；E=-1（float）→ 存储值=-1+127=126（二进制01111110）。

完整示例：float类型存储9.0

9.0的二进制：1001.0 → 科学计数法：1.001 × 2^3。
S=0（正数）。
M=1.001 → 存储小数部分001，补0至23位 → 00100000000000000000000。
E=3 → 存储值=3+127=130 → 二进制10000010。
最终存储的32位二进制：0 10000010 00100000000000000000000（十六进制0x41100000）。

3.4 浮点数的读取流程（三种情况）

读取时需根据指数E的存储值，分三种情况处理，以float为例：

情况1：E不全为0且不全为1（正常情况）

步骤：E的真实值 = 存储值 - 127；M = 1 + 存储的小数部分。
示例：存储的E=130 → 真实E=130-127=3；M=1+0.001=1.001 → V=1.001×2^3=9.0。

情况2：E全为0（表示接近0的小数）

步骤：E的真实值 = 1 - 127 = -126；M = 0 + 存储的小数部分（不再补1）。
目的：表示±0和极小的数；
示例：E=00000000 → 真实E=-126；M=0.00000000000000000001001 → V=1.001×2^(-146)（接近0）。

情况3：E全为1（表示无穷大或NaN）

若M全为0：表示±无穷大（S=0为正无穷，S=1为负无穷）。
若M不全为0：表示NaN（Not a Number，非数值，如0/0、√-1）。

3.5 经典面试题：整数与浮点数的转换

#include <stdio.h>
  int main() {
  int n = 9;
  float *pFloat = (float *)&n;
  printf("n的值为：%d\n", n);          // 输出：9
  printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat); // 输出：0.000000
  *pFloat = 9.0;
  printf("n的值为：%d\n", n);          // 输出：1091567616
  printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat); // 输出：9.000000
  return 0;
  }

这道题的核心是“同一个内存块，按不同类型解析的差异”，我们分两步拆解：

第一步：int n=9 按float解析为0.000000

int 9的32位二进制（补码）：00000000 00000000 00000000 00001001；
按float格式拆分：S=0，E=00000000，M=000000000000000000001001；
符合“E全为0”的情况：E真实值=-126，M=0.00000000000000000001001；
计算V：V = 1.001 × 2^(-146)，是极小的正数，按%f输出时显示为0.000000。

第二步：float 9.0 按int解析为1091567616

float 9.0的存储过程如前所述，最终32位二进制为：0 10000010 00100000000000000000000；
按int类型解析时，该二进制被视为补码（int存储补码）；
计算该二进制对应的十进制：0×2^31 + 1×2^30 + 0×2^29 + ... + 1×2^23 = 1073741824 + 16777216 + 8388608 = 1091567616。

通过本文的详细拆解，相信你已经彻底理解了数据在内存中的存储规则。这些知识点不仅是面试的重点，更是底层开发的基础，掌握后能帮你快速定位各类内存相关的bug，提升代码的健壮性和兼容性。

至此，我们已梳理完“数据在内存中的存储”的全部内容了。最后我们在文末来进行一个投个票，告诉我你对哪部分内容最感兴趣、收获最大，也欢迎在评论区聊聊你的学习感受。

以上就是本期博客的全部内容了，感谢各位的阅读以及关注。如有内容存在疏漏或不足之处，恳请各位技术大佬不吝赐教、多多指正。

在这里插入图片描述

posted @ 2025-12-25 17:55 gccbuaa 阅读(4) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部

gccbuaa

【C语言】数据在内存中的存储 - 指南

前言

一、整数在内存中的存储

1.1 编码的通用结构

1.2 正整数的编码规则

1.3 负整数的编码规则

详细示例：int类型的-5（32位）

1.4 核心结论：内存中存储的是补码

实战验证：减法运算的底层实现

二、大小端字节序

2.1 大小端的严格定义

2.2 直观示例：0x11223344的存储方式

2.3 大小端存在的根本原因

2.4 面试考题：大小端判断的两种实现方案

方案1：指针强制转换（最简洁）

方案2：共用体（union）特性（更易理解）

2.5. 经典练习解析

练习1：unsigned char与signed char的差异

练习2：char类型存储超出范围的值

练习3：无限循环的陷阱

练习4：数组与指针的内存访问

三、浮点数的存储：IEEE 754标准的深度拆解

3.1 浮点数的科学计数法表示

示例：十进制浮点数的二进制转换

3.2 IEEE 754的内存分配规则

3.3 浮点数的存储流程

步骤1：处理有效数字M

步骤2：处理指数E

完整示例：float类型存储9.0

3.4 浮点数的读取流程（三种情况）

情况1：E不全为0且不全为1（正常情况）

情况2：E全为0（表示接近0的小数）

情况3：E全为1（表示无穷大或NaN）

3.5 经典面试题：整数与浮点数的转换

第一步：int n=9 按float解析为0.000000

第二步：float 9.0 按int解析为1091567616

以上就是本期博客的全部内容了，感谢各位的阅读以及关注。如有内容存在疏漏或不足之处，恳请各位技术大佬不吝赐教、多多指正。

详细示例：int类型的`-5`（32位）