上一章（1.1-1.4）LZ和各位簡(jiǎn)單的探討了一下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一些基本概念，本次我們將進(jìn)入一個(gè)嶄新的世界。在1.1那一章當(dāng)中，我們已經(jīng)簡(jiǎn)單的提及了信息的概念，本次我們會(huì)逐漸深入的討論信息的相關(guān)內(nèi)容。

引言

我們很難想象，1和0這兩個(gè)再簡(jiǎn)單不過(guò)的數(shù)字，給計(jì)算機(jī)科學(xué)帶來(lái)了徹底的改變。對(duì)于無(wú)法與人腦相比的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的1和0就是最適合它們的數(shù)字。不過(guò)1個(gè)1或者1個(gè)0往往代表不了任何意義，它們必須被賦予上下文，才能有具體的含義。比如，如果我們知道1和0是代表的布爾類(lèi)型的值，那么我們就知道1是true，0是false。

對(duì)于二進(jìn)制所表示的數(shù)字來(lái)說(shuō)，主要有三種，即無(wú)符號(hào)、補(bǔ)碼以及浮點(diǎn)數(shù)。

由于計(jì)算機(jī)對(duì)于固定類(lèi)型的二進(jìn)制數(shù)字往往都是有位數(shù)限制的，比如int類(lèi)型使用四個(gè)字節(jié)（32位二進(jìn)制）來(lái)表示，因此在計(jì)算的時(shí)候，會(huì)發(fā)生溢出的情況，最簡(jiǎn)單的我們使用無(wú)符號(hào)整數(shù)0xFFFFFFFF與無(wú)符號(hào)整數(shù)0xFFFFFFFF相乘，則會(huì)產(chǎn)生溢出。

在產(chǎn)生溢出的時(shí)候，得出的結(jié)果往往會(huì)令人大跌眼鏡。比如兩個(gè)正數(shù)相乘可能得到負(fù)值，兩個(gè)正數(shù)相加也可能得到負(fù)值。而對(duì)于不同的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，由于數(shù)值范圍可能有所不同，因此掌握信息相關(guān)的內(nèi)容對(duì)于寫(xiě)出跨平臺(tái)的程序來(lái)講也是很有幫助的。

信息的存儲(chǔ)

大多數(shù)計(jì)算機(jī)使用8位的塊，或者說(shuō)字節(jié)，來(lái)作為最小的可尋址的存儲(chǔ)器單位，而不是在存儲(chǔ)器中訪問(wèn)單獨(dú)的位。換句話說(shuō)，我們?cè)谠L問(wèn)存儲(chǔ)器的內(nèi)容時(shí)，最小的訪問(wèn)單位一般是字節(jié)。

在我們編程的時(shí)候，往往會(huì)把虛擬存儲(chǔ)器（virtual memory）抽象為一個(gè)字節(jié)數(shù)組，而每一個(gè)數(shù)組內(nèi)的元素或者說(shuō)字節(jié)都有唯一的地址（address），這些地址的集合就被稱(chēng)作虛擬地址空間。虛擬地址空間是為了給機(jī)器級(jí)的程序一個(gè)概念上的映像，實(shí)際上為了提供這個(gè)映像，內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)是非常復(fù)雜的。

十六進(jìn)制表示法

對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)，可能比較喜歡0和1，但是對(duì)于人類(lèi)這種高級(jí)生物來(lái)說(shuō)，1和0就有點(diǎn)不夠看了。因此通常情況下，為了便于閱讀，我們會(huì)使用十六進(jìn)制去表示二進(jìn)制。1位十六進(jìn)制的數(shù)字可以表示4位二進(jìn)制數(shù)字，因此一個(gè)字節(jié)就可以表示為0x00---0xFF。

有關(guān)十六進(jìn)制、二進(jìn)制以及十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，LZ這里就直接略過(guò)了，相信大部分人應(yīng)該都對(duì)這個(gè)轉(zhuǎn)換并不陌生。

字

每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有一個(gè)字長(zhǎng)（word size），用于指明整數(shù)和指針數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)大?。╪ominal size）。而由于虛擬地址空間中的地址就是使用一個(gè)字來(lái)表示的，因此操作系統(tǒng)中的字長(zhǎng)就決定了虛擬地址空間的大小。

比如32位操作系統(tǒng)下，最大內(nèi)存就是232 = 4 * 210 * 210 * 210 B = 4GB，而在64位操作系統(tǒng)下，LZ還專(zhuān)門(mén)問(wèn)了問(wèn)群里的猿友，最終得到的結(jié)果是234GB。

數(shù)據(jù)大小

由于計(jì)算機(jī)位數(shù)的不同，會(huì)造成在數(shù)據(jù)類(lèi)型的存儲(chǔ)上，采用的位數(shù)略有不同，下表是在32位和64位機(jī)器下，C語(yǔ)言當(dāng)中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型需要的位數(shù)。

可以看出，對(duì)于長(zhǎng)整形以及字符指針類(lèi)型來(lái)說(shuō)，在32位和64位系統(tǒng)下的字節(jié)數(shù)是不同的。特別的，對(duì)于指針類(lèi)型來(lái)說(shuō)，所有指針類(lèi)型在32位下都是4位，而在64位下都是8位，這是由虛擬地址空間的地址位數(shù)或者說(shuō)字長(zhǎng)所決定的。

尋址和字節(jié)順序

對(duì)于跨越多個(gè)字節(jié)的程序?qū)ο螅ǔ绦驅(qū)ο笾钢噶?、?shù)據(jù)或者控制信息等，是程序當(dāng)中對(duì)象的統(tǒng)稱(chēng)）來(lái)說(shuō)，我們需要制定兩個(gè)規(guī)則，才能唯一確定一個(gè)程序?qū)ο蟮闹怠?/p>

比如對(duì)于int類(lèi)型的值0xFF來(lái)說(shuō)，如果我們要根據(jù)虛擬內(nèi)存地址去獲取這個(gè)整數(shù)值，那么首先我們需要知道它的起始虛擬內(nèi)存地址是多少。另外，我們還需要知道，對(duì)于表示int類(lèi)型的四個(gè)字節(jié)來(lái)說(shuō)，這四個(gè)字節(jié)的排列順序。

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，由于大部分計(jì)算機(jī)都采用連續(xù)的內(nèi)存地址去存儲(chǔ)一個(gè)程序?qū)ο螅虼宋覀兎Q(chēng)內(nèi)存地址中最小的那個(gè)就是該程序?qū)ο蟮钠鹗嫉刂?，也是該程序?qū)ο蟮牡刂贰?/p>

對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，一般有兩種方式，即大端法和小端法。對(duì)于一個(gè)整數(shù)0x000000FF來(lái)說(shuō)，我們假設(shè)它的起始地址為0x1，那么對(duì)于使用大端法規(guī)則的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，0x1-0x4的虛擬內(nèi)存所存儲(chǔ)的值依次為0x00、0x00、0x00、0xFF，相反對(duì)于采用小端法規(guī)則的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，0x1-0x4的虛擬內(nèi)存所存儲(chǔ)的值依次為0xFF、0x00、0x00、0x00。

強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換

對(duì)于一個(gè)特定的數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)講，計(jì)算機(jī)在解釋這類(lèi)數(shù)據(jù)的值的時(shí)候，是根據(jù)起始位置以及數(shù)據(jù)類(lèi)型的位數(shù)來(lái)確定的。比如對(duì)于無(wú)符號(hào)int類(lèi)型的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，倘若我們知道它的起始位置為0x1，而當(dāng)前的操作系統(tǒng)采取的是大端法規(guī)則，假設(shè)0x1-0x4的內(nèi)存地址中存儲(chǔ)的字節(jié)依次為0xFF，0xFF，0xFF，0xFF，由此計(jì)算機(jī)將會(huì)幫我們計(jì)算出這個(gè)無(wú)符號(hào)int類(lèi)型的值為232-1，也就是無(wú)符號(hào)int類(lèi)型的最大值。

這其中計(jì)算機(jī)是根據(jù)0x1-0x4這四個(gè)字節(jié)上的值，以及無(wú)符號(hào)int類(lèi)型的解釋方式，最終得到的這個(gè)無(wú)符號(hào)int類(lèi)型的值。

由此可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)在解釋一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型的值時(shí)主要有四個(gè)因素：位排列規(guī)則（大端或者小端）、起始位置、數(shù)據(jù)類(lèi)型的字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)類(lèi)型的解釋方式。

對(duì)于特定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，前兩種因素都是特定的，而對(duì)于后兩種因素的改變，則可以改變一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型的值的最終計(jì)算結(jié)果，這就是強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換。對(duì)于大部分高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)講，都提供了強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換。

比如C語(yǔ)言，我們可以將一個(gè)無(wú)符號(hào)int類(lèi)型的值強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為其它類(lèi)型，在轉(zhuǎn)換之后，對(duì)于上面四個(gè)因素之中，改變的是最后兩個(gè)。為此我們寫(xiě)一個(gè)小程序來(lái)看下這個(gè)有意思的事情。

#include <stdio.h>
   
int main(){
   unsigned int x = 0xFFFFFF61;
   int *p = &x;
   char *cp = (char *)p;
   printf("%c\n",*cp);
}

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換示例，可以看到我們將一個(gè)無(wú)符號(hào)int類(lèi)型的值，先賦給了一個(gè)int類(lèi)型的指針，又強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成了char類(lèi)型的指針，最終我們輸出這個(gè)char類(lèi)型指針?biāo)淼淖址?，結(jié)果的輸出是一個(gè)a。

輸出a的原因就是由上面的四個(gè)因素決定的，我們看這個(gè)具體程序上的四個(gè)因素。

1、cp指針的值與x變量的起始內(nèi)存地址相等。（起始位置）

2、LZ的linux系統(tǒng)是小端表示法，也就是說(shuō)假設(shè)x變量的起始內(nèi)存地址為0x1，那么0x1-0x4的值分別為0x61、0xFF、0xFF、0xFF。（位排列規(guī)則）

3、char只占一個(gè)字節(jié)，因此會(huì)只讀取0x61這個(gè)值。（數(shù)據(jù)類(lèi)型的字節(jié)數(shù)，或者說(shuō)大?。?/p>

4、0x61為十進(jìn)制的97，對(duì)應(yīng)ascii表的話，代表的是字符a，因此最終輸出了a。（數(shù)據(jù)類(lèi)型的解釋方式）

可以看出，強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換有時(shí)候會(huì)讓結(jié)果變的讓人難以預(yù)料，因此這種技巧一般不太推薦使用，但是這種手段也確實(shí)是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言所必需的。

字符串的表示

這一點(diǎn)其實(shí)上面我們已經(jīng)提到了，我們知道97其實(shí)代表的是字符'a'，而這個(gè)的由來(lái)就是根據(jù)ascii表來(lái)的，我們?cè)趌inux系統(tǒng)上可以輸入man ascii命令來(lái)查看。

代碼的表示

二進(jìn)制如何表示代碼？

其實(shí)這些都是編譯器的責(zé)任了，我們只需要寫(xiě)出像上面那個(gè)小程序一樣的人們可以看懂的代碼，編譯器便會(huì)幫我們將其翻譯成對(duì)應(yīng)的機(jī)器所認(rèn)識(shí)的二進(jìn)制序列。從這個(gè)角度上來(lái)講，程序語(yǔ)言其實(shí)就是一個(gè)二進(jìn)制序列的簡(jiǎn)單描述，它提供我們更簡(jiǎn)單的編寫(xiě)計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的二進(jìn)制序列的方式。

文章小結(jié)

本次我們初步探索了信息的存儲(chǔ)以及信息所代表的結(jié)果的計(jì)算，這些內(nèi)容都比較基礎(chǔ)，相信不難看懂。