C 语言内存探秘：数据存储的字节密码

一、数据在内存中的存储

1、基本数据范例存储

• 整型：如int范例，通常在32位体系中占4个字节，在内存中以二进制补码的情势存储。比方，整数10的二进制表示为00000000 00000000 00000000 00001010，以小端字节序存储时，在内存中的次序是0A 00 00 00；以大端字节序存储时，次序是00 00 00 0A。
  
• 浮点型：单精度float范例一样平常占4个字节，双精度double范例占8个字节。浮点数在内存中的存储遵照IEEE 754标准，以符号位、指数位和尾数位的情势存储。比方，单精度浮点数3.14在内存中的存储情势与整数完全不同。
  
• 字符型：char范例通常占1个字节，用来存储单个字符的ASCII码值。比方，字符'A'的ASCII码值是65，在内存中存储为41（十六进制）。
  

1.   int main()
2. {
3.    printf("%zd\n", sizeof(int));
4.    printf("%zd\n", sizeof(char));
5.    printf("%zd\n", sizeof(float));
6.    return 0;
7. }

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2、数组存储

• 数组中的元素在内存中是连续存储的。比方，int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};，数组arr的5个元素在内存中依次排列，假设数组首地点为0x1000，那么arr[0]存储在0x1000处，arr[1]存储在0x1004处，以此类推，每个元素之间的偏移量为sizeof(int)。
  
• 
  
  

3、布局体存储

1、基本存储规则

• 布局体的成员在内存中是按照定义的次序依次存储的。每个成员的存储地点相对于布局体首地点有肯定的偏移量。比方，对于布局体struct Example { int a; char b; };，起首存储int型成员a，然后存储char型成员b。
  
• 编译器大概会在布局体成员之间插入填充字节（Padding），这是为了满足成员的对齐要求。对齐要求通常是为了提高内存访问的服从，因为大多数盘算机硬件在访问内存时，对于按照肯定字节对齐的数据访问速率更快。比方，在32位体系中，int范例通常要求4字节对齐，double范例要求8字节对齐等。
  

2、举例阐明

• 例1：简单布局体
  
  
  
  • 考虑布局体struct Simple { char c; int i; };。假设char范例占1个字节，int范例占4个字节。
    
  • 起首存储c，其地点假设为布局体首地点0x0000，占1个字节，存储范围是0x0000。
    
  • 由于int范例要求4字节对齐，在c和i之间会插入3个填充字节。i的存储起始地点为0x0004，占4个字节，存储范围是0x0004 - 0x0007。所以整个布局体Simple占8个字节。
    
  
  
• 例2：包含数组的布局体
  
  
  
  • 定义布局体struct ArrayStruct { int a; char arr[3]; int b; };。
    
  • 起首存储a，假设其地点为0x0000，占4个字节，存储范围是0x0000 - 0x0003。
    
  • 接着存储arr数组，其起始地点为0x0004，因为char数组本身没有对齐要求，且前面a已经保证了4字节对齐。arr占3个字节，存储范围是0x0004 - 0x0006。
    
  • 对于b，由于int范例要求4字节对齐，所以在arr和b之间会插入1个填充字节。b的存储起始地点为0x0008，占4个字节，存储范围是0x0008 - 0x000B。整个布局体ArrayStruct占12个字节。
    
  
  
• 例3：嵌套布局体
  
  
  
  • 定义布局体struct Inner { char c; };和struct Outer { int a; struct Inner in; char b; };。
    
  • 起首存储Outer布局体中的a，假设其地点为0x0000，占4个字节，存储范围是0x0000 - 0x0003。
    
  • 接着存储Inner布局体中的c，由于Inner布局体是嵌套在Outer布局体中的，c的存储起始地点为0x0004，占1个字节，存储范围是0x0004。
    
  • 对于Outer布局体中的b，因为char范例前面已经满足了4字节对齐（由于a的存储），所以b的存储起始地点为0x0005，占1个字节，存储范围是0x0005。整个Outer布局体占8个字节。
    
  
  

3、检察布局体巨细和成员偏移量的方法

• 在C语言中，可以使用sizeof运算符来检察布局体的巨细。比方，对于上述struct Simple布局体，可以通过printf("%d", sizeof(struct Simple));来输出布局体的巨细。
  
• 有些编译器提供了扩展来检察布局体成员的偏移量，如在GCC中，可以使用__attribute__((packed))来取消布局体的对齐填充，使得布局体按照紧密排列的方式存储，这样可以更清楚地看到成员的原始偏移量。不外这种方式大概会影响内存访问服从，一样平常用于特殊的需求，如数据存储格式有严格要求的网络协议数据包的构建等。
  

二、巨细端字节序

• 概念：
  
  
  
  • 大端字节序（Big-Endian）：也叫大端序或大字节序，数据的高位字节存于低地点，低位字节存于高地点。比方，对于整数0x12345678，高位字节0x12存于内存低地点，接着依次是0x34、0x56、0x78存于更高地点，就像按从左到右（高位在前）的次序存储。
    
  • 小端字节序（Little-Endian）：又称小端序或小字节序，与大端字节序相反，数据的低位字节存于低地点，高位字节存于高地点。对于0x12345678，在小端字节序下，0x78存于内存低地点，接着是0x56、0x34、0x12存于更高地点，如同从右到左（低位在前）存储。
    
  
  
• 影响：不同的字节序在多字节数据的存储和传输中会产生影响。在网络编程中，通常规定使用大端字节序举行数据传输，以保证不同主机之间数据的一致性。假如两台主机的字节序不同，在举行数据通讯时就必要举行字节序的转换。
  

三、字节序的判断

• 利用指针范例转换判断：通过将一个多字节数据的地点转换为char *范例指针，然后访问该指针指向的字节，根据第一个字节的值来判断字节序。比方：
  

1. #include <stdio.h>
3. int main() {
4.     int num = 1;
5.     char *ptr = (char *)&num;
6.     if (*ptr == 1) {
7.         printf("小端字节序\n");
8.     } else {
9.         printf("大端字节序\n");
10.     }
11.     return 0;
12. }

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• 利用联合体判断：联合体的所有成员共用同一块内存空间，可以利用这一特性来判断字节序。比方：
  

1. #include <stdio.h>
3. union EndianTest {
4.     int num;
5.     char bytes[4];
6. };
8. int main() {
9.     union EndianTest test;
10.     test.num = 1;
11.     if (test.bytes[0] == 1) {
12.         printf("小端字节序\n");
13.     } else {
14.         printf("大端字节序\n");
15.     }
16.     return 0;
17. }

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