文章摘要

本文通過內(nèi)存底層原理，幫你透徹了解數(shù)據(jù)存儲進內(nèi)存與從內(nèi)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(zhuǎn)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(zhì)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(gòu)造類型

數(shù)組類型
結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換

1.什么是隱式類型轉(zhuǎn)換

在C語言中，隱式類型轉(zhuǎn)換是編譯器自發(fā)的行為，它往往是從小到大的轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)類型上表現(xiàn)是少字節(jié)數(shù)據(jù)類型，轉(zhuǎn)換成多字節(jié)數(shù)據(jù)類型，保證數(shù)據(jù)的完整性；（面向?qū)ο笳Z言也有該概念，并且對于類也會有隱式類型轉(zhuǎn)換）一般來說，隱式類型轉(zhuǎn)換大體分為兩種：整性提升和類型轉(zhuǎn)換

2.整型提升 

1.定義： C的整型算術(shù)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(zhuǎn)換為 普通整型(int類型4字節(jié)) ，這種轉(zhuǎn)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(jié)算結(jié)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(jié)果為：127

原因是：-129源碼為：1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0001

在內(nèi)存中的補碼為：1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111 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(zhuǎn)為源碼即為127

【注意這里的截斷原則與機器大小端有關(guān)，且截斷是在內(nèi)存上對補碼進行操作】

3.類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換就是類型轉(zhuǎn)換（編譯器自發(fā)）

2.從下至上，自動轉(zhuǎn)換

long double
double
float
unsigned long int
long int
unsigned int
int

3.【注意】這種類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，會有精度丟失

賦值情況下導(dǎo)致在高位的float類型轉(zhuǎn)為低位的int類型，導(dǎo)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(quán)值）保存在內(nèi)存的底地址中，而數(shù)據(jù)的高位（高權(quán)值），保存在內(nèi)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(quán)值）保存在內(nèi)存高的地址中，而數(shù)據(jù)的高位，保存在內(nèi)存低地址中；

2.大小端在截斷的應(yīng)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(nèi)存的地址儲存數(shù)據(jù)顯示出來，從內(nèi)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(zhuǎn)為16進制后即為 ff ff ff 7f；（權(quán)值左邊最高，右邊最低）

再將字符變量c內(nèi)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(quán)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)存是以32位存儲的，按一字節(jié)來說，其高權(quán)值位為0、低權(quán)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(shè)計的計算機只需設(shè)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(nèi)存的存儲

//例1.嘗試判斷輸出結(jié)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(jié)果：

例1解析：

-1在內(nèi)存的補碼：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

char a 、signed char b 、unsigned char c 存放時發(fā)生截斷，其在內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(jié)果：

例2解析：

128在內(nèi)存的補碼：0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000

-128的內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(jié)果：

例3解析：

-20在內(nèi)存的補碼：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 1100

10在內(nèi)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(zhuǎn)換，int 會自動轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)果是什么
int main()
{
	unsigned int i;
	for (i = 9; i >= 0; i--)
	{
		printf("%u\n", i);
	}

	system("pause");
	return 0;
}

結(jié)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(zhuǎn)換，int 0 會自動轉(zhuǎn)換為 unsigned int 類型計算

故其比較結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(zhuǎn)為 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000（補），補碼轉(zhuǎn)原碼：符號位為0，原碼與補碼一樣，值為0；

1000 0000（-128）轉(zhuǎn)為0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000（補），補碼轉(zhuǎn)原碼：1000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000，值為128；

0111 1111（127）轉(zhuǎn)為0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111（補），補碼轉(zhuǎn)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(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！

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