【2个月 C 语言从入门到精通：零基础系统教程】第十三讲：数据在内存中的存储

前言

在C/C++编程中，理解数据在内存中的存储方式是深入掌握底层原理的关键。无论是简单的整数运算，还是复杂的浮点数处理，最终都需要转化为二进制形式在计算机内存中进行存储和操作。然而，许多开发者在面对类型转换、字节序、整型提升、浮点数精度等问题时，常常感到困惑，甚至写出存在潜在风险的代码。

本文旨在系统性地解析C/C++中数据在内存中的存储机制，从最基础的整数原码、反码、补码表示，到复杂的大小端字节序，再到浮点数的IEEE 754标准存储格式。通过大量实际代码示例和逐步分析，我们将深入探讨：

1. 整数存储原理：为什么计算机使用补码？原码、反码、补码之间如何转换？
2. 大小端字节序：什么是大端和小端？为什么会有这两种存储模式？如何判断当前系统的字节序？
3. 整型提升与类型转换：当char类型用%d打印时发生了什么？为什么unsigned char和signed char会有不同的结果？
4. 浮点数存储细节：IEEE 754标准如何表示浮点数？规格化数、非规格化数、特殊值（无穷大、NaN）有什么区别？
5. 经典案例分析：通过多个练习题目，深入理解数据存储的实际应用和潜在陷阱。

无论你是正在学习C/C++的初学者，还是希望深入理解计算机底层原理的中级开发者，本文都将为你提供清晰、系统的知识体系。通过阅读本文，你将能够：

• 准确理解数据在内存中的二进制表示
• 掌握类型转换和整型提升的底层机制
• 熟练分析涉及字节序和内存对齐的问题
• 深入理解浮点数精度问题和特殊值的处理
• 编写更加健壮、可移植的底层代码

让我们开始这段探索内存存储奥秘的旅程吧！

1. 整数在内存中的存储

在讲解操作符的时候，我们就讲过了下面的内容：

整数的二进制表示方法有三种，即：原码、反码和补码。

有符号的整数，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”，最高位的一位是被当做符号位，剩余的都是数值位。

• 正整数的原、反、补码都相同。
• 负整数的三种表示方法各不相同。
  • 原码：直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制得到的就是原码。
  • 反码：将原码的符号位不变，其他位依次按位取反就可以得到反码。
  • 补码：反码 + 1 就得到补码。

对于整型来说：数据存放在内存中其实存放的是二进制的补码。

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）；
3. 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. 大小端字节序和字节序判断

当我们了解了整数在内存中存储后，我们调试看⼀个细节：

2.1 什么是大小端？

其实超过一个字节的数据在内存中存储的时候，就有存储顺序的问题，按照不同的存储顺序，我们分为大端字节序存储和小端字节序存储，下面是具体的概念：

• 大端（存储）模式：是指数据的低位字节内容保存在内存的高地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的低地址处。
• 小端（存储）模式：是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处，而数据的高位字节内容，保存在内存的高地址处。

上述概念需要记住，方便分辨大小端。

2.2 为什么有大小端？

为什么会有大小端模式之分呢？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 位。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。

例如：一个 16 bit 的short型变量x，在内存中的地址为0x0010，x的值为0x1122，那么0x11为高字节，0x22为低字节。

• 对于大端模式，就将0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x0011中。
• 小端模式，刚好相反。

我们常用的 X86 结构是小端模式，而 KEIL C51 则为大端模式。很多的 ARM、DSP 都为小端模式。有些 ARM 处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式。

2.3 练习

2.3.1 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

代码展示

intmain(){inta=1;if(*(char*)&a==1){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}return0;}//代码2intcheck_sys(){inta=1;if(*(char*)&a==1)return1;//小端elsereturn0;//大端}//代码3intcheck_sys(){inta=1;return(*(char*)&a);}intmain(){if(check_sys()==1){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}return0;}

2.3.2 练习2

思考一下为什么会出新这种结果

详细讲解

这段代码定义了三个字符类型的变量，并赋了同样的值-1：

signedcharb=-1;// b 在内存中是：11111111 (8位，代表 -1)unsignedcharc=-1;// c 在内存中也是：11111111 (但代表 255)chara=-1;// a 在内存中是：11111111 (但代表什么取决于编译器)

在计算机内存中，整数是以补码形式存储的。对于 8 位（1字节）的char类型，-1的二进制补码是11111111。

注意：标准 C/C++ 中，默认的char到底是有符号（signed char）还是无符号（unsigned char）是由编译器决定的。所以变量a的值存在不确定性。

最关键的坑：printf 与 %d（整型提升）

代码中使用了：

printf("a = %d, b = %d, c = %d\n"