文章摘要
本文通過內存底層原理，幫你透徹了解數(shù)據(jù)存儲進內存與從內存中讀取的區(qū)別以及不同數(shù)據(jù)類型下數(shù)據(jù)計算、賦值的變化情況
要透徹理解這些，必須知道隱式類型轉換以及機器大小端的概念，本文會對此做簡單介紹(這兩個概念對C語言數(shù)據(jù)的深度理解非常重要)
一、C語言的數(shù)據(jù)類型
數(shù)據(jù)類型基本分為：
1.整性
char //字符本質上是整型，只是char類型值截斷開辟一個字節(jié) unsigned char signed char short //2字節(jié) unsigned short [int] signed short [int] int //4字節(jié) unsigned int signed int long //4字節(jié) unsigned long [int] signed long [int]
2.浮點型
float double
3.構造類型
數(shù)組類型 結構體類型 struct 枚舉類型 enum 聯(lián)合類型 union
4.指針類型
int* pi; char* pc; float* pf; void* pv; ...
5.空類型
void
二、隱式類型轉換
1.什么是隱式類型轉換
在C語言中，隱式類型轉換是編譯器自發(fā)的行為，它往往是從小到大的轉換，在數(shù)據(jù)類型上表現(xiàn)是少字節(jié)數(shù)據(jù)類型，轉換成多字節(jié)數(shù)據(jù)類型，保證數(shù)據(jù)的完整性；（面向對象語言也有該概念，并且對于類也會有隱式類型轉換）一般來說，隱式類型轉換大體分為兩種：整性提升和類型轉換
2.整型提升
1.定義：C的整型算術運算總是至少以缺省整型類型的精度來進行的。為了獲得這個精度，表達式中的字符(char類型1字節(jié))和短整型(short int類型2字節(jié))操作數(shù)在使用之前被轉換為普通整型(int類型4字節(jié))，這種轉換稱為整型提升。
通俗來說：無論數(shù)據(jù)類型是否為 char 、short int 、…，其在讀取到CPU進行計算時，都會先通過整性提升到32位計算，而結算結果的讀取位數(shù)取決于讀取的數(shù)據(jù)類型，若為char類型，則截斷取8位（bit）.
【這里注意：通常CPU在計算時，用的數(shù)據(jù)是源碼已翻譯后的補碼來計算】
2.整性提升是按照變量的數(shù)據(jù)類型（指自身類型，而不是數(shù)值類型）的符號位來提升
//eg1.負數(shù)的整性提升 char a = -1; //char類型默認為有符號類型 //其二進制源碼為：1 000 0001 // 補碼為：1 111 1111 //整性提升時，由于8bit的char類型數(shù)據(jù)中符號位為1； //故提升為32位后 11111111 11111111 11111111 11111111；（補碼） //eg2.正數(shù)的整性提升 char a = 1; //其二進制源碼為：0 000 0001 // 補碼=源碼為：0 000 0001 //整性提升時，由于8bit的char類型數(shù)據(jù)中符號位為0； //故提升為32位后 00000000 00000000 00000000 00000001；（補碼）
3.截斷的具體體現(xiàn)：
//eg3.
char c = -129;
printf("%d",c);
結果為：127
原因是：-129源碼為：1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0001
在內存中的補碼為：1111 1111 1111 1111 1111 11110111 1111
而字符變量c 只截斷8bit位即c變量保存的是：0111 1111（補碼）
輸出d%位整型，且符號位為0
整型提升為0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111（補碼）
轉為源碼即為127
【注意這里的截斷原則與機器大小端有關，且截斷是在內存上對補碼進行操作】
3.類型轉換
1.概念：操作符兩邊的操作數(shù)屬于不同的類型，那么除非其中一個操作數(shù)的轉換為另一個操作數(shù)的類型，否則操作就無法進行；而這種轉換就是類型轉換（編譯器自發(fā)）
2.從下至上，自動轉換
long double double float unsigned long int long int unsigned int int
3.【注意】這種類型轉換只是建立在運算操作符之間，不然會出現(xiàn)不合理問題
eg4. float f = 3.14; int num = f;//隱式轉換，會有精度丟失
賦值情況下導致在高位的float類型轉為低位的int類型，導致精度丟失
三、機器大小端
1.什么是大小端
小端（存儲）模式，是指數(shù)據(jù)的底位（低權值）保存在內存的底地址中，而數(shù)據(jù)的高位（高權值），保存在內存高地址中；
【大多數(shù)機器都采用小端模式】
大端（存儲）模式，是指數(shù)據(jù)的底位（低權值）保存在內存高的地址中，而數(shù)據(jù)的高位，保存在內存低地址中；
2.大小端在截斷的應用
上文的eg3.中出現(xiàn)了截斷，即字符c截斷整型數(shù)值-129
//eg3. char c = -129;
我們將代碼中的整型a變量在內存的地址儲存數(shù)據(jù)顯示出來，從內存地址可以看出，序列從高到低遞增
a：補碼為 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 1111
轉為16進制后即為 ff ff ff 7f；（權值左邊最高，右邊最低）
再將字符變量c內存的地址儲存數(shù)據(jù)顯示出來，可以看出，由于char類型只有一字節(jié)，會優(yōu)先從四字節(jié)a中截斷地址最低的一字節(jié)
由圖看出它截斷了低地址里的數(shù)據(jù)7f，而7f也是低權值。
故，在vs2013中，采用的是小端原則
3.判斷當前機器的字節(jié)序是大端還是小端
#include<stdio.h>
#include<Windows.h>
#pragma warning(disable:4996)
int check_sys()
{
int i = 1;
return (*(char*)&i);//注意，發(fā)生數(shù)據(jù)類型轉換
}
int main()
{
int ret = check_sys();
if (ret)
{
printf("小端\n");
}
else
{
printf("大端\n");
}
system("pause");
return 0;
}
【注意】(*(char*)&i);
這里是對指針的解引用時，從內存所取的字節(jié)大小由其指向的數(shù)據(jù)類型決定。 說白了就是 i 的地址從int *被強轉為char *，再解引用時，其指向的數(shù)據(jù)類型從int變?yōu)閏har，因此顯示的數(shù)據(jù)會發(fā)生截斷；
由上面的截斷方式我們可以知道，1在內存是以32位存儲的，按一字節(jié)來說，其高權值位為0、低權值位為1.故可以通過return傳參的1或0判斷大小端。
四、整型在內存中的存儲
1.原碼、反碼、補碼
一個數(shù)在計算機中的二進制表示形式, 叫做這個數(shù)的機器數(shù)。機器數(shù)是帶符號的，在計算機用一個數(shù)的最高位存放符號, 正數(shù)為0, 負數(shù)為1.
比如，十進制中的數(shù) +3 ，計算機字長為8位，轉換成二進制就是00000011;
如果是 -3 ，就是 10000011
在C語言中，整型在計算機的儲存情況是按原反補的規(guī)則儲存，即對于整型來說，數(shù)據(jù)存放在內存中其實是補碼。
計算機采用這種規(guī)則可以使數(shù)據(jù)運算時的+ - * / 運算都通過加法解決，這樣設計的計算機只需設計出加法模塊，大大節(jié)省成本。
具體規(guī)則如下：
1.正數(shù)
正數(shù)的原、反、補碼都相同，與原碼一樣
2.負數(shù)
原碼：該數(shù)的機器數(shù)，最高位為符號位
反碼：原碼除符號位不變，其余位按位取反
補碼：反碼+1
2.舉例實踐整型數(shù)據(jù)在內存的存儲
//例1.嘗試判斷輸出結果是什么
int main()
{
char a = -1;
signed char b = -1;
unsigned char c = -1;
printf("a=%d,b=%d,c=%d\n", a, b, c);
system("pause");
return 0;
}
結果：
例1解析：
-1在內存的補碼：1111 1111 1111 1111 1111 11111111 1111
char a 、signed char b 、unsigned char c 存放時發(fā)生截斷，其在內存的補碼均為：1111 1111
但是三位在以%d(整型)輸出時，會發(fā)生整型提升，由原來的8位整型提升到32位，而整型提升時高位補0還是補1需看數(shù)據(jù)自身類型（有符號類型補符號位，無符號類型直接補0）
char a 與 signed char b 均屬于有符號型,且符號位為1，補24位1
內存數(shù)值為：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111；輸出%d時反向推回原碼，答案即為 -1
unsigned char c 屬于無符號型，補24位0
內存數(shù)值為：0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111；輸出%d時反向推回原碼，答案即為 255
//例2.嘗試判斷輸出結果是什么
int main()
{
char a = 128;
char b = -128;
printf("a=%u,b=%u\n", a,b);
system("pause");
return 0;
}
結果：
例2解析：
128在內存的補碼：0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000
-128的內存補碼： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000
char a 、char b 存放時發(fā)生截斷，其在內存的補碼均為：1000 0000
%u(無符號整型)輸出時，會發(fā)生整型提升，由原來的8位整型提升到32位
char a 與 char b 均屬于有符號型,且符號位為1，補24位1
內存數(shù)值均為：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000；輸出%u時反碼直接當原碼，
答案即為 ：
//例3.嘗試判斷輸出結果是什么
int main()
{
int i = -20;
unsigned int j = 10;
printf("i+j = %d\n", i + j);
system("pause");
return 0;
}
結果：
例3解析：
-20在內存的補碼：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 1100
10在內存的補碼：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
int i 與 unsigned int j 都是四字節(jié)類型變量故存儲時不會發(fā)生截斷，
但 ?i + j =表達式會發(fā)生類型轉換，int 會自動轉換為 unsigned int 類型計算
CPU中將兩變量補碼進行相加得到：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110
計算結果以%d(整型)輸出，反向推回原碼：1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
答案即為 -10
//例4.嘗試判斷輸出結果是什么
int main()
{
unsigned int i;
for (i = 9; i >= 0; i--)
{
printf("%u\n", i);
}
system("pause");
return 0;
}
結果：
例4解析：
由于 i 變量時 unsinged int 類型，因此其無符號位，
且 ?i >= 0表達式會發(fā)生類型轉換，int 0 會自動轉換為 unsigned int 類型計算
故其比較結果永遠為真，因為無符號類型第32bit位（符號位）永遠為0
for 循環(huán)條件永遠滿族，答案即為死循環(huán)
//例5.嘗試判斷輸出結果是什么
int main()
{
char a[1000];
int i;
for (i = 0; i <1000; i++)
{
a[i] = -1 - i;
}
printf("%d\n", strlen(a));
system("pause");
return 0;
}
結果：
例5解析：
char a[1000]數(shù)組的每一位元素都是1字節(jié)的char 類型,有字符位，故其保存的數(shù)值范圍：[-128,127]；
-1-i 范圍從 -1到 -1000，但在循環(huán)體a[i] = -1 - i中每次賦值都會發(fā)生截斷，由下圖可知，char類型保存的數(shù)值依次遞減時，-1 繼續(xù)減到 -128 ，128 減一位到 127,127 繼續(xù)減到0，0再減一位到 -1，繼續(xù)下一輪循環(huán)；
而該題的輸出時數(shù)組字符長度，strlen遇 ‘\0'(等價于數(shù)值0)，而在初始化后的char a[1000]數(shù)組中，數(shù)值第一次出現(xiàn)0在a[255];
故答案為255
//例6.嘗試判斷輸出結果是什么
int main()
{
unsigned char i = 0;
for (i = 0; i <= 255; i++)
{
printf("%d ", i);
Sleep(30);
}
system("pause");
return 0;
}
結果：0-255無限循環(huán)
例6解析：
由例5解析的圖可知：unsigned char 類型的變量 i 的取值范圍：[-128,127],永遠小于255；
而%d輸出時，無符號類型直接整型提升補24位0：
0000 0000 （0）轉為 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000（補），補碼轉原碼：符號位為0，原碼與補碼一樣，值為0；
1000 0000（-128）轉為0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000（補），補碼轉原碼：1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000，值為128；
0111 1111（127）轉為0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111（補），補碼轉原碼：符號位為0，原碼與補碼一樣，值為127
由此可知，無符號字符類型變量整型提升后再%d輸出沒有負數(shù)
故答案為：0-255循環(huán)
總結
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原文鏈接：https://blog.csdn.net/Sober_harmonic/article/details/120475440
