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文章摘要

本文通過內存底層原理，幫你透徹了解數據存儲進內存與從內存中讀取的區別以及不同數據類型下數據計算、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語言數據的深度理解非常重要)

一、C語言的數據類型

數據類型基本分為：

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
	unsigned char
	signed char
short  //2字節
	unsigned short [int]
	signed short [int]
int  //4字節
	unsigned int
	signed int
long  //4字節
	unsigned long [int]
	signed long [int]

2.浮點型

float
double

3.構造類型

數組類型
結構體類型 struct
枚舉類型 enum
聯合類型 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的行為，它往往是從小到大的轉換，在數據類型上表現是少字節數據類型，轉換成多字節數據類型，保證數據的完整性；（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)和短整型(short int類型2字節)操作數在使用之前被轉換為普通整型(int類型4字節)，這種轉換稱為整型提升。

通俗來說：無論數據類型是否為 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取決于讀取的數據類型，若為char類型，則截斷取8位（bit）.

【這里注意：通常CPU在計算時，用的數據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據類型（指自身類型，而不是數值類型）的符號位來提升

//eg1.負數的整性提升
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類型數據中符號位為1；
//故提升為32位后 11111111 11111111 11111111 11111111；（補碼）

//eg2.正數的整性提升
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類型數據中符號位為0；
//故提升為32位后 00000000 00000000 00000000 00000001；（補碼）

3.截斷的具體體現：

//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屬于不同的類型，那么除非其中一個操作數的轉換為另一個操作數的類型，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）

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，是指數據的底位（低權值）保存在內存的底地址中，而數據的高位（高權值），保存在內存高地址中；

【大多數機器都采用小端模式】

大端（存儲）模式，是指數據的底位（低權值）保存在內存高的地址中，而數據的高位，保存在內存低地址中；

2.大小端在截斷的應用

上文的eg3.中出現了截斷，即字符c截斷整型數值-129

//eg3.
char c = -129;

C語言數據在內存中的存儲詳解

我們將代碼中的整型a變量在內存的地址儲存數據顯示出來，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內存的地址儲存數據顯示出來，可以看出，由于char類型只有一字節，會優先從四字節a中截斷地址最低的一字節

由圖看出它截斷了低地址里的數據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，發生數據類型轉換
}

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，從內存所取的字節大小由其指向的數據類型決定。說白了就是 i 的地址從int *被強轉為char *，再解引用時，其指向的數據類型從int變為char，因此顯示的數據會發生截斷；

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

一個數在計算機中的二進制表示形式, 叫做這個數的機器數。機器數是帶符號的，在計算機用一個數的最高位存放符號, 正數為0, 負數為1.

比如，十進制中的數 +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則儲存，即對于整型來說，數據存放在內存中其實是補碼。

計算機采用這種規則可以使數據運算時的+ - * / 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，大大節省成本。

具體規則如下：

1.正數

正數的原、反、補碼都相同，與原碼一樣

2.負數

原碼：該數的機器數，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.舉例實踐整型數據在內存的存儲

//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：

C語言數據在內存中的存儲詳解

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需看數據自身類型（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：

C語言數據在內存中的存儲詳解

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：

C語言數據在內存中的存儲詳解

//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：

C語言數據在內存中的存儲詳解

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 都是四字節類型變量故存儲時不會發生截斷，

但 ?i + j =表達式會發生類型轉換，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：

C語言數據在內存中的存儲詳解

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 循環條件永遠滿族，答案即為死循環

//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：

C語言數據在內存中的存儲詳解

例5解析：

char a[1000]數組的每一位元素都是1字節的char 類型,有字符位，故其保存的數值范圍：[-128,127]；

-1-i 范圍從 -1到 -1000，但在循環體a[i] = -1 - i中每次賦值都會發生截斷，由下圖可知，char類型保存的數值依次遞減時，-1 繼續減到 -128 ，128 減一位到 127,127 繼續減到0，0再減一位到 -1，繼續下一輪循環；

C語言數據在內存中的存儲詳解

而該題的輸出時數組字符長度，strlen遇 ‘\0'(等價于數值0)，而在初始化后的char a[1000]數組中，數值第一次出現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

C語言數據在內存中的存儲詳解