【C语言】06-变量与内存

一、字节和地址

为了更好地理解变量在内存中的存储细节，先来认识一下内存中的“字节”和“地址”。

1.计算机中的内存是以字节为单位的存储空间。内存的每一个字节都有一个唯一的编号，这个编号就称为地址。就好像酒店是以房间为单位的，每个房间都有一个唯一的房号，我们根据房号就能找到对应的房间。

里面的每个小框框就代表着内存中的一个字节，白色数字就是每个字节的地址（这里采取十六进制来显示，地址值是随便写的，仅作为参考，真实情况中的地址值不一定是这个），可以发现，内存中相邻字节的地址是连续的。

2.大家都知道，一个字节有8位，所能表示的数据范围是非常有限的，因此，范围较大的数据就要占用多个字节，也就是说，不同类型的数据所占用的字节数是不一样的。

二、变量的存储

1.变量类型的作用

跟其他编程语言一样，C语言中用变量来存储计算过程使用的值，任何变量都必须先定义类型再使用。为什么一定要先定义呢？因为变量的类型决定了变量占用的存储空间，所以定义变量类型，就是为了给该变量分配适当的存储空间，以便存放数据。比如char类型，它是用来存储一个字符的，一个字符的话只需要1个字节的存储空间， 因此系统就只会给char类型变量分配1个字节，没必要分配2个字节、3个字节乃至更多的存储空间。

2.变量占用多少存储空间

1> 一个变量所占用的存储空间，不仅跟变量类型有关，而且还跟编译器环境有关系。同一种类型的变量，在不同编译器环境下所占用的存储空间又是不一样的。我们都知道操作系统是有不同位数的，比如Win7有分32位、64位，编译器也是一样的，也有不同位数：16位、32位、64位（Mac系统下的clang编译器是64bit的）。由于我们是Mac系统下开发，就以64位编译器为标准。

2> 下面的表格描述了在64位编译器环境下，基本数据类型所占用的存储空间，了解这些细节，对以后学习指针和数组时是很有帮助的。

3> 下面的表格描述了在不同编译器环境下的存储空间占用情况

3.变量示例

当定义一个变量时，系统就会为这个变量分配一定的存储空间。

1 int main()
2 {
3     char a = 'A'; 
4     
5     int b = 10;
6     
7     return 0;
8 }

1> 在64bit编译器环境下，系统为变量a、b分别分配1个字节、4个字节的存储单元。也就是说：

• 变量b中的10是用4个字节来存储的，4个字节共32位，因此变量b在内存中的存储形式应该是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010。
• 变量a中的'A'是用1个字节来存储的，1个字节共8位，变量a在内存中的存储形式是0100 0001，至于为什么'A'的二进制是这样呢，后面再讨论。

2> 上述变量a、b在内存中的存储情况大致如下表所示：

（注："存储的内容"那一列的一个小格子就代表一个字节，"地址"那一列是指每个字节的地址）

• 从图中可以看出，变量b占用了内存地址从ffc1~ffc4的4个字节，变量a占用了内存地址为ffc5的1个字节。每个字节都有自己的地址，其实变量也有地址。变量存储单元的第一个字节的地址就是该变量的地址。变量a的地址是ffc5，变量b的地址是ffc1。
• 内存寻址是从大到小的，也就是说做什么事都会先从内存地址较大的字节开始，因此系统会优先分配地址值较大的字节给变量。由于是先定义变量a、后定义变量b，因此你会看到变量a的地址ffc5比变量b的地址ffc1大。
• 注意看表格中变量b存储的内容，变量b的二进制形式是：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010。由于内存寻址是从大到小的，所以是从内存地址最大的字节开始存储数据，存放顺序是ffc4 -> ffc3 -> ffc2 -> ffc1，所以把前面的0000 0000都放在ffc2~ffc4中，最后面的八位0000 1010放在ffc1中。

4.查看变量的内存地址

在调试过程中，我们经常会采取打印的方式查看变量的地址

1 #include <stdio.h>
2 
3 int main()
4 {
5     int a = 10;
6     printf("变量a的地址是：%p", &a);
7     return 0;
8 }

第6行中的&是一个地址运算符，&a表示取得变量a的地址。格式符%p是专门用来输出地址的。输出结果是：

变量a的地址是：0x7fff5fbff8f8

这个0x7fff5fbff8f8就是变量a的内存地址

三、负数的二进制形式

1 int main()
2 {
3     int b = -10;
4     return 0;
5 } 

在第3行定义了一个整型变量，它的值是-10。-10在内存中怎样存储的呢？其实任何数值在内存中都是以补码的形式存储的。

• 正数的补码与原码相同。比如9的原码和补码都是1001
• 负数的补码等于它正数的原码取反后再+1。（取反的意思就是0变1、1变0）

那么-10的补码计算过程如下：

1> 先算出10的二进制形式：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010

2> 对10的二进制进行取反：1111 11111111 11111111 1111 1111 0101

3> 对取反后的结果+1：1111 11111111 11111111 1111 11110110

因此，整数-10在内存中的二进制形式是：1111 11111111 11111111 1111 11110110

四、变量的作用域

1.作用域简介

变量的作用域就是指变量的作用范围。先来看看下面的程序：

1 int main()
2 {
3     int a = 7;
4     
5     return 0;
6 }

• 在第3行定义了一个变量a，当执行到这行代码时，系统就会为变量a分配存储空间
• 当main函数执行完毕，也就是执行完第5行代码了，变量a所占用的内存就会被系统自动回收
• 因此，变量a的作用范围是从定义它的那行开始，一直到它所在的大括号{}结束，也就是第3~6行，一旦离开这个范围，变量a就失效了

2.代码块

1> 代码块其实就是用大括号{}括住的一块代码。

 1 int main()
 2 {
 3     {
 4         int a = 10;
 5         
 6         printf("a=%d", a);
 7     }
 8     
 9     a = 9;
10     
11     return 0;
12 }

• 注意第3~7行的大括号，这就是一个代码块
• 当执行到第4行时，系统会分配内存给变量a
• 当代码块执行完毕，也就是执行完第6行代码后，变量a所占用的内存就会被系统回收
• 因此，变量a的作用范围是从定义它的那行开始，一直到它所在的大括号{}结束，也就是第4~7行，离开这个范围，变量a就失效了
• 所以，上面的程序是编译失败的，第9行代码是错误的，变量a在第7行的时候已经失效了，不可能在第9行使用

2> 如果是下面这种情况

 1 int main()
 2 {
 3     int a = 9;
 4     
 5     {
 6         int a = 10;
 7         
 8         printf("a=%d", a);
 9     }
10     
11     return 0;
12 }

• 注意第3、6行，各自定义了一个变量a，这种情况是没问题的。C语言规定：在不同作用域中允许有同名变量，系统会为它们分配不同的存储空间。
• 在第3行定义的变量a的作用域是：第3~12行；在第6行定义的变量a的作用域是：第6~9行。
• 最后注意第8行：尝试输出变量a的值。那这里输出的是哪一个变量a呢？先看输出结果：

a=10

这里采取的是“就近原则”，也就是第8行访问的是在第6行定义的变量a，并不是在第3行的变量a。

五、变量的初始化

变量在没有进行初始化之前，不要拿来使用，因为它里面存储的是一些垃圾数据

1 #include <stdio.h>
2 
3 int main()
4 {
5     int c;
6     
7     printf("%d", c);
8     return 0;
9 }

注意第5行的变量c，只是定义了变量，并没有给它赋初值。输出结果：

1606422622

可以发现，变量c里面存储的是一些乱七八糟的数据