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一文彻底理解大小端和位域
为什么有大小端
人们一直认为大道至简,就好像物理学上的世界追求使用一个理论来统一所有的现象。为什么cpu存在大小端之分,一言以蔽之,这两种模式各有各的优点,其各自的优点就是对方的缺点,正因为两者彼此不分伯仲,再加上一些硬件厂商的坚持,因此在多字节存储顺序上始终没有一个统一的标准
小端模式优点:
- 内存的低地址处存放低字节,所以在强制转换数据时不需要调整字节的内容(注解:比如把int的4字节强制转换成short的2字节时,就直接把int数据存储的前两个字节给short就行,因为其前两个字节刚好就是最低的两个字节,符合转换逻辑);
- CPU做数值运算时从内存中依顺序依次从低位到高位取数据进行运算,直到最后刷新最高位的符号位,这样的运算方式会更高效
大端模式优点:
- 符号位在所表示的数据的内存的第一个字节中,便于快速判断数据的正负和大小
什么是大小端
高位 | 0x12345678 | 低位 | |
---|---|---|---|
大端模式 | 低地址 | 0x12-0x34-0x56-0x78 | 高地址 |
小端模式 | 低地址 | 0x78-0x56-0x34-0x12 | 高地址 |
小端模式:是指数据的高字节保存在内存的高地址中,而数据的低字节保存在内存的低地址中。简单的说就是低地址存低位,高地址存高位。大端模式是正好相反。
通过代码来记忆
大多数情况下,小端机器比较多。我们会经常见到如下代码
uint32_t uiVal = 0x11223344;
uint8_t *pucLit = (uint8_t *) uiVal;
我们只需要记住 *pucLit
的值是 0x44 即可。
字节内的bit顺序也有大小端
在 kernel 中的源码有如下定义
struct tcphdr {__be16 source;__be16 dest;__be32 seq;__be32 ack_seq;
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)__u16 res1:4,doff:4,fin:1,syn:1,rst:1,psh:1,ack:1,urg:1,ece:1,cwr:1;
#elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)__u16 doff:4,res1:4,cwr:1,ece:1,urg:1,ack:1,psh:1,rst:1,syn:1,fin:1;
#else
#error "Adjust your <asm/byteorder.h> defines"
#endif __be16 window;__sum16 check;__be16 urg_ptr;
};
这里可以观察到,在定义struct tcphdr
结构体时,使用了宏来区分不同的大小端,里面字节内(8bit)的定义顺序恰好相反。一个字节内res1:4, doff:4,
在结构体的定义中位置相反。在小端系统中,res1:4
排在前面,表示字节的低4bit。
可移植性
为了程序的可移植性,不要使用位域的定义方式,请使用位运算来解决问题。Linux 这里是为了效率,牺牲了可移植性。可见效率和可移植性也是鱼和熊掌不可兼得,正如这里的大小端互有优势,不可兼得。
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