文章目錄
- 前言
- 一、整數在內存中的存儲
- 1.1 計算機存儲數據的基本單位
- 示例代碼
- 1.2 無符號整數的存儲
- 1.3 有符號整數的存儲（補碼）
- 示例代碼
- 二、大小端字節序和字節序判斷
- 2.1 什么是大小端？
- 示例代碼
- 2.2 為什么會有大小端？
- 2.3 字節序的判斷
- 三、浮點數在內存中的存儲
- 3.1 IEEE 754 浮點數表示法
- 示例代碼（單精度浮點數）
- 3.2 浮點數存儲結構
- 3.3 浮點數的存儲和讀取過程
- 存儲過程：
- 讀取過程：
- 總結
前言
在計算機的世界里，所有數據最終都要存儲到內存中，而內存是以 字節（Byte） 為單位進行存儲的。不同類型的數據在內存中的存儲方式可能不一樣，甚至可能會涉及字節順序（大小端）。理解這些存儲原理不僅能幫助我們掌握計算機底層原理，還能提高編程和調試能力。
本文將帶你從 整數、大小端 和 浮點數 三個方面，深入淺出地介紹數據在內存中的存儲方式，并通過詳細的示例代碼加以說明。
一、整數在內存中的存儲
整數（如 int 類型）的存儲方式與其 二進制表示 密切相關。下面介紹計算機存儲數據的基本單位，以及無符號整數和有符號整數（使用補碼）的存儲方式。
1.1 計算機存儲數據的基本單位
計算機的存儲是 二進制 的，最小的存儲單位是 位（bit）。每 8 個 bit 組成 1 個字節（Byte）。
例如：
- 1 bit：取值
0或1 - 1 Byte = 8 bits：例如，
00000000表示十進制0，00000001表示十進制1
計算機通常以 字節（Byte） 為單位存儲數據，而整數通常占用 多個字節。
示例代碼
#include <stdio.h>int main() {int num = 5;printf("%d 在內存中的大小: %lu 字節\n", num, sizeof(num));return 0;
}
1.2 無符號整數的存儲
無符號整數（unsigned int）只表示非負數，直接使用二進制表示。例如，假設 unsigned int 類型占 4 個字節（32 位）：
| 十進制數 | 二進制表示（32 位） |
|---|---|
| 5 | 00000000 00000000 00000000 00000101 |
| 255 | 00000000 00000000 00000000 11111111 |
可以看到，數值 5 存儲為 00000101（低位在右，高位在左）。
1.3 有符號整數的存儲（補碼）
有符號整數（int）可以表示正數和負數。計算機通常采用 補碼 來表示負數，這樣可以使加減運算統一，并且只有唯一的零表示。
負數的補碼計算過程：
- 將數值的絕對值轉換為二進制原碼。
- 對原碼每一位取反（0 變 1，1 變 0）。
- 最后加 1，得到補碼。
示例代碼
#include <stdio.h>int main() {int num = -5;printf("%d 在內存中的存儲: ", num);unsigned char *p = (unsigned char *)#for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {printf("%02X ", p[i]);}printf("\n");return 0;
}
通過該示例，你可以看到 -5 在內存中的存儲（二進制補碼表示）。
二、大小端字節序和字節序判斷
對于多字節數據（如 int 和 float），它們在內存中的存儲順序依賴于 CPU 架構，通常分為大端和小端兩種模式。
2.1 什么是大小端？
- 大端（Big Endian）：高位字節存儲在低地址，低位字節存儲在高地址。這種方式符合人類閱讀習慣，從左到右依次遞減。
- 小端（Little Endian）：低位字節存儲在低地址，高位字節存儲在高地址，便于計算機進行加法等運算（從最低有效位開始）。
示例代碼
#include <stdio.h>void print_bytes(int num) {unsigned char *p = (unsigned char *)#for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {printf("%02X ", p[i]);}printf("\n");
}int main() {int num = 0x12345678;printf("內存中的存儲順序: ");print_bytes(num);return 0;
}
根據你的 CPU 架構，你可能會看到：
- 大端模式：輸出類似
12 34 56 78 - 小端模式：輸出類似
78 56 34 12
2.2 為什么會有大小端？
大小端的區別主要來源于計算機體系結構的不同：
- 大端模式：最早由 IBM 等體系架構采用，數據按人類閱讀習慣存儲（高位在前）。
- 小端模式：主要由 Intel 體系架構采用，便于在進行算術運算時從低位開始處理數據，簡化了硬件設計。
2.3 字節序的判斷
可以通過一個簡單的 C 語言程序來判斷當前系統的字節序：
#include <stdio.h>int main() {int num = 1;if (*(char *)&num == 1) {printf("小端模式\n");} else {printf("大端模式\n");}return 0;
}
如果輸出 “小端模式”，說明低位字節存儲在低地址。
三、浮點數在內存中的存儲
浮點數的存儲采用 IEEE 754 標準，將浮點數拆分為符號位、指數位和尾數位。下面詳細介紹 IEEE 754 浮點數表示法、存儲結構以及存儲和讀取過程。
3.1 IEEE 754 浮點數表示法
IEEE 754 是國際通用的浮點數存儲標準，主要分為兩種格式：
-
單精度浮點數（32 位）：
- 符號位（S）：1 位，表示正負（0 表示正數，1 表示負數）。
- 指數位（E）：8 位，采用移碼表示（偏移量為 127）。
- 尾數位（M）：23 位，存儲有效數字，默認存在隱含的
1。
-
雙精度浮點數（64 位）：
- 符號位（S）：1 位
- 指數位（E）：11 位，偏移量為 1023。
- 尾數位（M）：52 位
示例代碼（單精度浮點數）
#include <stdio.h>void print_float(float num) {unsigned char *p = (unsigned char *)#for (int i = 0; i < sizeof(num); i++) {printf("%02X ", p[i]);}printf("\n");
}int main() {float num = 3.14f;printf("3.14 在內存中的存儲: ");print_float(num);return 0;
}
通過該示例，你可以看到 3.14 在內存中的字節序列，理解其 IEEE 754 格式的表示。
3.2 浮點數存儲結構
以單精度浮點數為例，存儲過程大致如下：
-
轉換為二進制：將十進制數（例如
3.14）轉換為二進制表示。
例如3.14的二進制近似表示為11.001001...。 -
標準化：將二進制數調整為
1.xxxxx的形式，同時記錄指數。
對于3.14，標準化表示為1.1001001... × 2^1。 -
計算指數：將標準化指數加上偏移量（單精度偏移量為 127），得到最終的指數部分。
對于上例：指數1 + 127 = 128，其二進制表示為10000000。 -
處理尾數：舍去標準化表示中的隱含的
1，保留后面的有效位作為尾數。
例如：尾數為1001001...，填充到 23 位。 -
符號位：根據正負確定符號位（正數為
0，負數為1）。
最終，3.14 會按照上述結構存儲為 4 字節（32 位）的二進制數據。
3.3 浮點數的存儲和讀取過程
存儲過程：
- 將十進制浮點數轉換為二進制表示；
- 標準化成
1.xxx的格式； - 計算指數并加上偏移量；
- 提取尾數并構造 IEEE 754 格式；
- 將符號位、指數位和尾數位組合成最終的存儲格式。
讀取過程：
- 從內存中讀取浮點數的 4 字節數據；
- 分析并提取符號位、指數位和尾數位；
- 將指數位減去偏移量（127）得到實際指數；
- 還原尾數（在前面補上默認的隱含
1）； - 根據符號位決定正負，最終還原為十進制浮點數。
總結
本文詳細介紹了數據在內存中的存儲方式，重點涵蓋了：
- 整數存儲：理解無符號整數直接存儲和有符號整數使用補碼存儲的原理。
- 大小端字節序：了解大端與小端的概念、產生原因及判斷方法。
- 浮點數存儲：通過 IEEE 754 標準，了解浮點數的符號位、指數位和尾數位的表示方法，以及存儲與讀取過程。
掌握這些知識，將幫助你更深入地理解計算機底層原理，并在調試和系統編程中更加得心應手。希望這篇博客能為你的學習提供實用的參考！
