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第一章 C语言基础知识
第二章 C语言控制语句
第三章 C语言函数详解
第四章 C语言数组详解
第五章 C语言操作符详解
第六章 C语言指针详解
第七章 C语言结构体详解 文章目录 1. 数据类型
1.1 基本数据类型
1.2 派生数据类型
2. 整形在内存中的存储
2.1 …系列文章目录
第一章 C语言基础知识
第二章 C语言控制语句
第三章 C语言函数详解
第四章 C语言数组详解
第五章 C语言操作符详解
第六章 C语言指针详解
第七章 C语言结构体详解 文章目录 1. 数据类型
1.1 基本数据类型
1.2 派生数据类型
2. 整形在内存中的存储
2.1 原码、反码、补码
2.2 大端小端
2.3 代码示例
3. 浮点型在内存中的存储
3.1 代码示例
3.2 浮点数存储规则 1. 数据类型
1.1 基本数据类型
整型int用于表示整数包括正整数、负整数和零。 int x 10; short短整型 long长整型 long long更长的整形 字符型char用于表示单个字符可以是字母、数字或特殊字符。char ch A; 浮点型float、double用于表示带有小数部分的数值。float num 3.14; 布尔型bool用于表示逻辑值只有两个取值true非零和false零。bool flag true;
占用存储空间
char
char类型通常占用1个字节8位的内存空间。存储的数据范围为-128到127有符号char或0到255无符号char。
short
short类型通常占用2个字节16位的内存空间。存储的数据范围为-32768到32767有符号short或0到65535无符号short。
int
int类型的大小通常为系统的字长例如在32位系统中占用4个字节32位在64位系统中占用8个字节64位。存储的数据范围为-2147483648到2147483647有符号int或0到4294967295无符号int。
long
long类型通常占用4个字节32位或8个字节64位的内存空间取决于系统的字长。存储的数据范围与int类型相似但更大。
float
float类型通常占用4个字节32位的内存空间。 存储的数据范围为IEEE754标准中的单精度浮点数范围。
double
double类型通常占用8个字节64位的内存空间。 存储的数据范围为IEEE754标准中的双精度浮点数范围。 1.2 派生数据类型
数组Array 数组是一种存储相同类型数据元素的连续内存区域通过下标来访问数组中的元素。在C语言中数组的声明形式为type name[size]其中type表示数组中元素的类型name表示数组的名称size表示数组的大小。
int arr[5] {1, 2, 3, 4, 5};结构体Struct 结构体是一种用户自定义的数据类型用于将多个不同类型的数据组合在一起形成一个新的数据类型。在C语言中结构体的声明形式为struct关键字后跟结构体的名称然后是一对大括号内部包含各个成员变量的声明。
struct Point {int x;int y;
};指针Pointer 指针是一种特殊的数据类型用于存储变量的地址。通过指针可以实现对变量的间接访问以及动态内存分配和释放等功能。
int *ptr x;枚举Enum 枚举是一种用于定义一组有限的命名常量集合的数据类型。枚举类型可以用于提高程序的可读性使代码更加清晰易懂。
enum Color { RED, GREEN, BLUE };联合Union 联合是一种特殊的数据类型用于存储不同类型的数据但在同一时间只能存储其中的一种类型。联合的大小等于其最大成员的大小。
union Data {int i;float f;
};2. 整形在内存中的存储
2.1 原码、反码、补码
计算机中的整数有三种二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”而数值位正数的原、反、补码都相同 负整数的三种表示方法各不相同。 原码Sign-Magnitude
原码是最直观的表示方式直接将数值按照正负数的形式翻译成二进制就可以得到原码。 其中最高位表示符号位0表示正数1表示负数其余位表示数值的绝对值。
例如5的原码表示为00000101-5的原码表示为10000101。
反码Ones Complement
反码是将原码中的正数不变负数按位取反0变为11变为0得到的编码方式。
例如5的反码和原码相同00000101-5的反码为11111010。
补码Twos Complement
补码是将原码中的正数不变负数取反后再加1得到的编码方式。也就是反码1就得到补码。 补码可以解决反码的问题即负零和两个零的存在。补码中只有一个零即00000000。
例如5的补码和原码相同00000101-5的补码为11111011。 在计算机中整数类型的数据存储在内存中时通常采用补码形式。这主要是为了简化算术运算和减少硬件设计的复杂性。补码具有以下几个优点 唯一表示零补码能够唯一地表示零而原码和反码都存在正零和负零的问题。在补码中只有一个零的表示方式即所有位均为0。 简化加法和减法运算在补码中加法和减法的运算规则是一致的无需额外的逻辑操作。例如将两个补码相加然后将结果直接截取为指定位数即可而无需考虑正负数的特殊情况。 统一处理溢出在补码中溢出时会自然地从最高位溢出到符号位从而实现了对于正数和负数溢出的统一处理方式。 硬件实现简单补码的加法和减法可以使用同一套逻辑电路来实现简化了硬件设计的复杂性。 2.2 大端小端
大小端Endian是指在多字节数据存储时低字节的存放位置和高字节的存放位置的不同排列方式。主要分为大端序Big Endian和小端序Little Endian两种。 大端序Big Endian
在大端序中高位字节Most Significant ByteMSB存放在低地址处低位字节Least Significant ByteLSB存放在高地址处。例如十六进制数0x12345678在内存中的存储顺序是12 34 56 78。 小端序Little Endian
在小端序中低位字节LSB存放在低地址处高位字节MSB存放在高地址处。例如十六进制数0x12345678在内存中的存储顺序是78 56 34 12。 这是因为在计算机系统中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。 例如一个 16bit 的 short 型 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ARMDSP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 代码示例 1. 简述大端字节序和小端字节序的概念设计一个程序来判断当前机器的字节序。 // 代码1通过判断低地址处的字节内容来确定系统的字节序小端或大端#include stdio.h// 检查系统字节序的函数
int check_sys() {int i 1; // 创建一个整数 i赋值为 1return (*(char *)i); // 返回 i 的低地址处的字节内容
}int main() {int ret check_sys(); // 调用 check_sys 函数返回字节内容并赋给 retif (ret 1) { // 如果返回值为 1则表示小端字节序printf(小端\n); // 打印小端字节序} else {printf(大端\n); // 否则打印大端字节序}return 0;
}这段代码中check_sys() 函数首先创建一个整数 i然后通过将 i 的地址强制转换为字符型指针 char *再取其指向的内容即低地址处的字节。如果当前系统是小端字节序那么该字节的值应该为 1因为整数 1 的低字节就是 1所以函数返回 1表示小端字节序反之如果当前系统是大端字节序那么该字节的值应该为 0因为整数 1 的低字节是 0所以函数返回 0表示大端字节序。 // 代码2使用联合体检查系统字节序// 检查系统字节序的函数
int check_sys() {union { // 定义一个联合体用于共享同一段内存空间int i; // 整数char c; // 字符} un; // 联合体变量 unun.i 1; // 将整数 i 赋值为 1return un.c; // 返回联合体中字符 c 的值即 i 的低地址处的字节内容
}这段代码使用了一个联合体 union联合体中包含一个整数 i 和一个字符 c。由于联合体的所有成员共享同一段内存空间所以当给 i 赋值为 1 后c 的值就是 i 中低地址处的字节这个值就是用来判断字节序的。因此和代码1的原理类似返回的结果也是 1 或 0表示小端或大端字节序。 补码示例 #include stdio.h
int main()
{char a -1; // 将 -1 赋值给 char 类型的变量 a这里的 -1 在转换成补码后就是 11111111signed char b-1; // signed char 类型也是有符号的所以 -1 在转换成补码后仍然是 11111111unsigned char c-1; // unsigned char 类型是无符号的但 -1 在转换成补码后也是 11111111因为 char 是 8 位的无符号范围是 0~255-1 被当作 255 处理printf(a%d,b%d,c%d,a,b,c); // 输出变量 a、b、c 的值分别是 -1、-1、255return 0;
}#include stdio.h
int main()
{char a -128; // char 类型是有符号的范围是 -128~127所以 -128 被当作 -128 处理printf(%u\n,a); // 格式化输出 a 的值由于使用了 %u-128 在按无符号打印时被当作 4294967168 处理return 0;
}#include stdio.h
int main()
{char a 128; // char 类型是有符号的范围是 -128~127所以 128 被当作 -128 处理printf(%u\n,a); // 格式化输出 a 的值由于使用了 %u128 在按无符号打印时被当作 4294967168 处理return 0;
}#include stdio.h
int main()
{int i -20; // 定义有符号整型变量 i赋值为 -20unsigned int j 10; // 定义无符号整型变量 j赋值为 10printf(%d\n, ij); // 输出 ij 的值-2010 -10按照补码的形式进行运算最后格式化成为有符号整数结果为 -10return 0;
}3. 浮点型在内存中的存储 浮点数在内存中的存储通常采用 IEEE 754 标准来进行表示这个标准规定了浮点数的存储格式包括单精度浮点数float和双精度浮点数double。 3.1 代码示例 #include stdio.hint main() {int n 9; // 定义一个整型变量 n初始值为 9float *pFloat (float *)n; // 将 n 的地址强制转换为 float 类型的指针 pFloatprintf(n的值为%d\n, n); // 打印 n 的值printf(*pFloat的值为%f\n, *pFloat); // 通过指针 *pFloat 打印 n 所指向的浮点数值*pFloat 9.0; // 修改 *pFloat 指向的值为 9.0实际上也就修改了 n 的值printf(num的值为%d\n, n); // 再次打印 n 的值此时已经被修改为 1092616192printf(*pFloat的值为%f\n, *pFloat); // 通过指针 *pFloat 打印 n 所指向的浮点数值此时为 9.0return 0;
}3.2 浮点数存储规则
对于上一个示例num 和 *pFloat 在内存中明明是同一个数为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大
这是因为浮点数和整数在内存中的存储格式是不同的。虽然 num 和 *pFloat 在内存中表示的是相同的二进制数据但它们的解读方式不同
num 是一个整数类型它会按照整数的解读方式来解释内存中的二进制数据。因此当我们将整型变量 num 的值打印出来时会按照整数的格式来解读得到的结果是整数值 9。*pFloat 是一个浮点数指针它会按照浮点数的解读方式来解释内存中的二进制数据。即使这个内存中的二进制数据实际上是一个整数但在浮点数的解读方式下它会被解释为一个浮点数值。这种解读方式会导致我们得到一个较大的浮点数值而不是我们期望的整数值。 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S0V为正数当S1V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。 比如 十进制的 5.0 写成二进制是 101.0 相当于 1.01×2^2 。 那么按照上面 V 的格式可以得出 S0 M1.01 E2 。 十进制的 -5.0 写成二进制是 - 101.0 相当于 - 1.01×2^2 。那么 S1 M1.01 E2 。 IEEE 754 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 。 对有效数字M和指数EIEEE 754还有一些特别规定。 前面说过 1≤M2 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。 对于指数E情况会复杂一些。 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10127137即10001001。 指数E从内存中取出还可以再分成三种情况 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。 比如 0.51/2的二进制形式为0.1由于规定正数部分必须为1即将小数点右移1位则为1.0*2^(-1)其阶码为-1127126表示为01111110而尾数1.0去掉整数部分为0补齐0到23位00000000000000000000000则其二进制表示形式为: 0 01111110 00000000000000000000000 E全为0 这时浮点数的指数E等于1-127或者1-1023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。 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 好了关于浮点数的表示规则就说到这里。 解释前面的代码 为什么 0x00000009 还原成浮点数就成了 0.000000 首先将 0x00000009 拆分得到第一位符号位s0后面8位的指数 E00000000 最后23位的有效数字M000 0000 0000 0000 0000 1001。 9 - 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001 由于指数E全为0所以符合上一节的第二种情况。因此浮点数V就写成 V(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)1.001×2^(-146) V是一个很小的接近于0的正数所以用十进制小数表示就是0.000000。 代码的第二部分。 浮点数9.0如何用二进制表示还原成十进制又是多少 首先浮点数9.0等于二进制的1001.0即1.001×2^3。 9.0 - 1001.0 -(-1)^01.0012^3 - s0, M1.001,E3127130 所以第一位的符号位s0有效数字M等于001后面再加20个0凑满23位指数E等于3127130即10000010。所以写成二进制形式应该是sEM即 0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000 这个32位的二进制数还原成十进制正是 1091567616 。
