4 信息的表示和处理_信息存储

目录

• 1 内存空间和内存地址
• 2 字长
• 3 十六进制
• 4 字节顺序
• 5 机器代码跨平台不兼容
• 6 C语言的三种运算
  • 6.1 位级运算
    • 6.1.1 引入掩码
  • 6.2 逻辑运算
  • 6.3 移位运算
    • 6.3.1 左移 <<
    • 6.3.2 逻辑右移>>
    • 6.3.3 算术右移>>
    • 6.3.4 关于右移的补充说明
    • 6.3.5 为什么会有移位运算

开头：本章研究在计算机上如何表示数字和其它形式数据的基本属性，以及计算机对这些数据执行操作的属性。

1 内存空间和内存地址

注意：这部分谈到的内存，并不是指硬件中的内存条，而是在《计算机系统漫游》章节中的：【虚拟内存】：是对主存、磁盘、I/O设备的抽象表示

下面是书本的描述：

• 字节（byte）：大多数计算机使用8位的块，或叫做字节(byte)，来作为最小的可寻址的内存单位，而不是访问存储器中单独的位
• 虚拟内存：把内存看作成一个非常大的字节数组。
• 地址：内存中的每个字节都由一个唯一的数字来标识。一般是用十六进制来表示。
• 虚拟地址空间：所有可能地址的集合。

这里是我的总结：

字节：存储空间的最小单位，描述数据占据多少空间，就用字节来数表示。大多数机器中，1个字节=8位
地址：内存中的每个字节都由一个唯一的数字来标识，成为它的地址；理解为门牌号。

疑问：地址占不占用空间？

1. 地址本身不占用内存空间的
2. 有时需要将数据的地址存储起来，用于对该数据的访问，这时地址它是占用空间
3. 如果把地址放在指令中来执行，此时地址它是不占用空间。

2 字长

关于字长：平时说的32位系统、64位系统，34 跟 64 表示字长。
本节先这么理解字长：

1. 字长：决定了虚拟地址空间的最大值。它是操作系统层面你的参数
2. 对于一个字长为x位的机器而言，虚拟地址范围为0~2^{x-1，程序最多访问2}x字节。
3. 字长32位：限制寻址空间为4GB
4. 字长64位：限制寻址空间为16EB

## 推导过程
1024 = 2^10  

1EB=1024PB
1PB=1024TB
1TB=1024GB

1GB = 1024MB
1MB=1024KB
1KB = 1024B

1GB = (1024 * 1024 * 1024) B = 2^30B

所以：
2^32 = 2^30 * 2^2 = 4GB
2^64 = 2^30 * 2^30 * 2^4 = 16EB

16EB = 16 * 1024 *1024*1024 = 17179869184GB

C语言数据类型中在不同字长系统下的占据字节数如下：

3 十六进制

二进制示法太冗长，而使用十进制表示法，与位模式的互相转化很麻烦。替代的方法是：十六进制数：使用数字“0”_{“9”，以及字符“A”}“F”来表示16个可能的值。

• 0x 或 0X 开头表示
• 字符“A”~“F”既可以是大写，也可以是小写，至是 大小写混合

2个十六进制数字就表示一个字节：因为用4个二进制数字就可以表示1个16进制数字，因此2个十六进制=2*4=8个二进制 =1个字节

二进制转十六进制：**从右往左，每四位为一截，划分，左边不足四位，补0**
十六进制转二进制进制：分别将每个16进制分别转换成对应的二进制即可。例如 0x8A = 1000 1010
十进制转二进制：除2 取余，再反转排序
二进制转十进制：abcd.efg(2)=d20+c21+b22+a23+e2-1+f2-2+g* 2-3 

4 字节顺序

对于跨越多字节的程序对象，需建立两个原则：这个对象的地址是什么？以及在内存中如何排列这些字节。

1. 对象被存储为连续的字节序列，对象的地址为存储在最低地址的那个字节的的地址
2. 排序规则有大端法和小端法

例如，假设一个类型为int的变量x的地址为 0x100，x的4字节将被存储在内存的 0x100、0x101、0x102 和 0x103 位置。

• 大端法：高位存储在低地址
• 小端法：低位存储在低地址

不同的系统有各自的表示规则，

两种不同排序规则下的字节序列存储如下：

关于设定好字节顺序的两种场景

1. 网络字节顺序
2. 反编译的场景

网络上的数据流是字节流，对于一个多字节数值，在进行网络传输的时候，先传递哪个字节？也就是说，当接收端收到第一个字节的时候，它是将这个字节作为高位还是低位来处理呢？发送方要根据接收方的字节排序规则，来确定字节的发送顺序

网络字节序定义：收到的第一个字节被当作高位看待，这就要求发送端发送的第一个字节应当是高位。而在发送端发送数据时，发送的第一个字节是该数字在内存中起始地址对应的字节。可见多字节数值在发送前，在内存中数值应该以大端法存放。

判断机器大小端法例子

#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 0x12345678;
char i = a;
printf("%x", i);
return 0;
}

定义1个十六进制的数据，数据类型为int型，再定义一个char类型的数据，int数据类型的大小为4个字节，而char类型的数据为1个字节，
因此将int类型的数据赋值给char时会丢失三个字节的数据，char类型中存储的是int类型中低地址的数据，
这时候char类型获取的数据输出以后，若是输出的是12那就说明你低地址位置的数据是12，那就说明你的数据是大端存储，若是输出的结果是78那当前条件下就是小端存储。

输出结果：78，即该centos系统采用小端法存储

5 机器代码跨平台不兼容

计算机系统的一个基本概念就是，从机器的角度来看，程序仅仅只是字节序列。机器没有关于原始源程序的任何信息，除了可能有些用来帮了助调试的辅助表以外。
不同的机器类型使用不同的且不兼容的指令和编码方式。即使是完全一样的进程，运行在不同的操作系统上 也会有不同的编码规则，因此二进制代码是不兼容的。二进制代码很少能在不同机器和操作系统组合之间移植。

6 C语言的三种运算

6.1 位级运算

符号	表述	说明
！	OR
&	AND
~	NOT	取反
^	EXCLUSIVE-OR 异或	位数相同得到0，位数相反得到1

举例子：

将十六进制转换成二进制并执行二进制运算后，再转回十六进制。

6.1.1 引入掩码

什么是掩码？：
简单来说掩码就是一串二进制码。比如：00000101。就是个数字。掩码的作用是用来存储和操作“状态（State）”。大致用法和逻辑总结：

• 用二进制码存储状态，
• 通过位运算（&, |, ^, ~, >>, << 等）来操作状态。

为什么使用掩码？

为什么使用掩码其实本质是为什么使用二进制和位运算。
在计算机编程中，直接做二进制运算——即位运算的效率更高。而且表达上更简洁。

哪里有使用？

熟悉Java的都知道，java.util.concurrent JUC工具包中，大量的类使用位级运算，保存状态或结果信息，例如AbstractQueuedSynchronizer的成员变量：state，可重入读写锁ReentrantReadWriteLock就是利用了左移右移运算，同时在高、低位存储了读/锁的状态

6.2 逻辑运算

逻辑运算符号	表述	说明
||	OR	逻辑或
&&	AND	逻辑与
!	NOT	取反

注意：逻辑运算跟位级运算容易混淆，但是他们的功能完全不同。

1. 逻辑运算认为所有非零的参数都表示TRUE，而参数0表示FALSE。因此逻辑运算结果只有两种：0/1，代表着true或者faslse。
2. 如果前面的参数求值就能确定表达式的结果，那么逻辑运算就不会对第后面的参数求值。例如(1==1)||(1/0)，将不会造成被零除

6.3 移位运算

6.3.1 左移 <<

左移K位 : 按二进制形式把所有的数字向左移动K位，高位舍弃，低位的空位补零。
数字意义：在数字没有溢出的前提下，对于正数和负数，左移一位都相当于乘以2的1次方，左移n位就相当于乘以2的n次方

4<<2：表示10进制4左移2位。结果：0000 0100<<2 得到：0001 0000  = 16

6.3.2 逻辑右移>>

也称为无符号右移。
右移K位 : 低位舍去K位，高位补上K个0

对参数x：0110 0011 ，逻辑右移4位，结果：0000 0110

6.3.3 算术右移>>

右移K位 : 低位舍去K位，高位补上K个x，这个x（符号位）是移位后最高位的那个值

对参数x：1001 0101，算术右移4位，
右移四位后：1001 ，此时最高位是1
补充K个最高位值后：1111 1001

6.3.4 关于右移的补充说明

1. C语言标准并没有明确定义对于有符号数应该使用哪种类型的右移--算术右移或者逻辑右移都可以。
2. 实际上，几乎所有的编译器/机器组合都对有符号数使用算术右移
3. 对于无符号数，右移必须是逻辑的。
4. 与C相比，Java对于如何进行右移有明确的定义：表达是 x>>k会将x算术右移 k个位置，而 x>>>k会对x做逻辑右移。

6.3.5 为什么会有移位运算

1. 整数乘法、除法运算指令慢，需要耗费更多的时钟周期。慢
2. 位运算需要耗费的始时钟周期少。快
3. 用位运算和加法运算的组合来代替常数的乘法运算。左移
4. 用位运算来代替除法。 右移![image]