1.信息的存儲(chǔ)

• 通常情況下，程序?qū)?nèi)存視為一個(gè)非常大的數(shù)組。數(shù)組的元素是由一個(gè)個(gè)的字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)都由一個(gè)唯一的數(shù)字來(lái)表示，稱之為地址。這些所有地址的集合稱為虛擬地址空間。

信息的存儲(chǔ).jpg

2.字節(jié)

• 1個(gè)字節(jié)是由8個(gè)位組成，在二進(jìn)制中，每一位的值可能有0或者1兩種狀態(tài)。當(dāng)這8個(gè)位全為0時(shí)，表示一個(gè)字節(jié)的最小值；當(dāng)這8個(gè)位全為1時(shí)，表示最大值；如果用十進(jìn)制來(lái)表示，那么一個(gè)字節(jié)的取值范圍就在[0,255]之間。上面這種按照一位一位表示數(shù)據(jù)的方式稱為位模式。

位模式.jpg

3.十六進(jìn)制表示位模式

• 在C語(yǔ)言中，十六進(jìn)制數(shù)是以0X或0x開(kāi)頭。字母部分可以是全部大寫(xiě)或全部小寫(xiě)或者大小寫(xiě)混合。

十六進(jìn)制、二進(jìn)制、十進(jìn)制.jpg

• 二進(jìn)制與十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換：將二進(jìn)制數(shù)從右向左，每四位為一組來(lái)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。如果總位數(shù)不是4的倍數(shù)，那么最左邊的一組會(huì)出現(xiàn)小于4位的情況，這時(shí)將前面進(jìn)行補(bǔ)0。接著，將每4位為一組的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行一一轉(zhuǎn)換即可得到十六進(jìn)制數(shù)。

二進(jìn)制與十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換.jpg

• 如何將形如2的n次方的數(shù)快速轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)？

2^0 = 1          0個(gè)0
2^1 = 10         1個(gè)0
2^2 = 100        2個(gè)0
2^3 = 1000       3個(gè)0
2^4 = 10000      4個(gè)0
2^5 = 100000     5個(gè)0
....
2^n = 1000...000 n個(gè)0

n = i + 4j：n除以4，j是商、i是余數(shù)，i的可能取值是0、1、2、3，因此與之對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)是1、2、4、8

例如2^13, n = 13 = 1 + 4 * 3，因此2^13 = 0x2000

• 十進(jìn)制與十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換：使用輾轉(zhuǎn)相除法，每次使用得到的商來(lái)除以16，直到得到的商不能被16整除為止。將得到的余數(shù)用16進(jìn)制來(lái)表示，然后自下而上書(shū)寫(xiě)即可得到十六進(jìn)制表示。

十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù).jpg

4.字長(zhǎng)Words

• 字長(zhǎng)決定了虛擬地址空間最大值可以到多少，對(duì)于32位機(jī)器，虛擬地址空間最大為4GB；64位機(jī)器，虛擬地址空間最大為16EB。

字長(zhǎng).jpg

• 大多數(shù)64位的機(jī)器做了向下兼容，因此32位機(jī)器編譯的程序也可以運(yùn)行在64位機(jī)器上。在64位機(jī)器上，可以通過(guò)命令gcc -m32 -o hello32 hello.c編譯生成可以在32位機(jī)器上運(yùn)行的程序。通過(guò)修改編譯選項(xiàng)gcc -m64 -o hello64 hello.c，就可以編譯生成在64位機(jī)器上運(yùn)行的程序。

不同類型數(shù)據(jù)占用不同字節(jié)空間.jpg

5.地址和字節(jié)序

• 一個(gè)int類型的變量x=0x01234567，假設(shè)地址位于0x100處。由于int類型占4個(gè)字節(jié)，因此x被存儲(chǔ)在地址為0x100~0x103的內(nèi)存處。

大端模式與小端模式.jpg

• 大端模式：最高有效字節(jié)存儲(chǔ)在最前面即低地址處。IBM和Sun公司的機(jī)器大多采用大端法。

• 小端模式：最低有效字節(jié)存儲(chǔ)在最前面即低地址處。大多數(shù)intel兼容機(jī)采用小端模式。

  // 判斷大、小端模式測(cè)試程序
  #include <stdio.h>
  
  typedef unsigned char* byte_pointer;
  
  void show_bytes(byte_pointer start, int len) {
      int i;
      for(i = 0; i < len; i++) {
          printf("%.2x", start[i]);
      }
      printf("\n");
  }
  
  void show_int(int x) {
      show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(x));
  }
  
  

6.存儲(chǔ)字符串

• C語(yǔ)言中的字符串被編碼為以NULL字符結(jié)尾的字符數(shù)組，其中結(jié)尾字符的十六進(jìn)制表示為0x00。使用ASCII碼來(lái)表示字符，在任何系統(tǒng)上都會(huì)得到相同的結(jié)果。于是，文本數(shù)據(jù)比二進(jìn)制數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的平臺(tái)獨(dú)立性。

字符串存儲(chǔ).jpg

7.布爾代數(shù)

• C語(yǔ)言中，支持按位進(jìn)行布爾運(yùn)算。具體如下圖所示：

布爾代數(shù).jpg

C語(yǔ)言中的布爾運(yùn)算.jpg

8.位掩碼運(yùn)算

• 對(duì)于操作數(shù)0x89ABCDEF，我們希望得到該操作數(shù)的最低有效字節(jié)的值EF，可以通過(guò)&上0xFF這樣就得到了最低有效字節(jié)0x000000EF；

位掩碼運(yùn)算.jpg

9.邏輯運(yùn)算

• 邏輯運(yùn)算中，所有非零的參數(shù)都表示為true，只有參數(shù)0表示為false。邏輯運(yùn)算的結(jié)果只有兩種true/false，而位運(yùn)算只有在特殊的數(shù)值條件下才會(huì)得到0或者1。

邏輯運(yùn)算.jpg

10.移位運(yùn)算

• 對(duì)于8位二進(jìn)制數(shù)01100011，左移一位就是丟棄最高的1位，并在右端補(bǔ)1個(gè)0，具體結(jié)果如下圖所示：

左移一位.jpg

• 對(duì)于右移運(yùn)算，分為邏輯右移和算術(shù)右移。邏輯右移和邏輯左移只是在方向上存在差異，邏輯右移一位就是丟棄最低的1位，并在左端補(bǔ)一個(gè)0。

邏輯右移一位.jpg

• 對(duì)于算術(shù)右移，以下以10010101為例說(shuō)明。當(dāng)算術(shù)右移的操作對(duì)象的最高位等于0時(shí)，算術(shù)右移等于邏輯右移，兩者沒(méi)有任何差別；當(dāng)操作數(shù)的最高位為1時(shí)，算術(shù)右移后，左端需要補(bǔ)1而不是補(bǔ)0；

算術(shù)右移且操作數(shù)的最高位等于0.jpg

算術(shù)右移且操作數(shù)的最高位等于1.jpg

• 雖然C語(yǔ)言中并沒(méi)有明確的規(guī)定有符號(hào)數(shù)應(yīng)該使用哪一種類型的右移方式，但實(shí)際上幾乎所有的編譯器以及機(jī)器的組合都是對(duì)有符號(hào)數(shù)使用算術(shù)右移；對(duì)于無(wú)符號(hào)數(shù)，右移一定是邏輯右移；

11.參考資料

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