C/C++ 大小端、位域、内存详解

前言

面试时遇到关于大小端、位段（或者叫位域）和内存对齐的考题，然后就不知所措了。这部分对于嵌入式底层工作者是必须要掌握的，其他方面不是必须的；但还是很有必要学习理解这些知识点，因为它可以让你更了解C++的,了解程序在内存的运行情况，也能加深对计算机系统的理解。

1、大小端

         在现代的“冯.诺依曼体系结构”计算机中，计算机内的数制都是采用二进制来存储，并且是以8位，一个字节为单位，产生内存地址系统。数据在内存中有如下三种存在方式：

           1、从静态存储区分配：此时的内存在程序编译的时候已经分配好，并且在程序的整个运行期间都存在。全局变量，static变量等在此存储。

           2、在栈区分配：在程序的相关代码执行时创建，执行结束时被自动释放。局部变量在此存储。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率          高，但容量有限。

            3、在堆区分配：动态分配内存。用new/malloc时开辟，delete/free时释放。变量的生存期由用户指定，灵活，但会有内存泄露等问题。

          一般涉及到大小端问题都是针对的float、int、long等等非一个字节类型的数据类型，像C/C++中的char这样的数据类型，它本身就是占用一个字节的大小，不会产生什么问题。例如 int数据类型，在32位系统中，占4个字节，那这样4个字节存放空间地址是什么样的顺序呢，这就涉及到了大小端的原理了。

          常用的x86结构都是小端模式，而大部分DSP，ARM也是小端模式，不过有些ARM是可以选择大小端模式，KEIL C51是大端的。

        大端：数值的高字节放在内存的低地址处，数值的低字节放到高低址处；就是高位在前。

        小端：数值的低字节放在内存的低地址处，数值的高字节放到高低址处；就是低位在前。

        总结一句话：按内存地址增长的顺序，先放高位就据就是大端，先放低位数据就是小端。

  示例：

        int Height = 0x12345678，&Height = 0x0042ffc4

      小端模式：

地址	0x0042ffc4	0x0042ffc5	0x0042ffc6	0x0042ffc7
数值	0x78	0x56	0x34	0x12

      大端模式：

地址	0x0042ffc4	0x0042ffc5	0x0042ffc6	0x0042ffc7
数值	0x12	0x34	0x56	0x78

 

2、位域

       在计算机中，是采用0 ，1表示数据的，每一个0或者1占用1位（bit）存储空间，8位组成一个字节（byte），为计算机中数据类型的最小单位，如char在32bit系统中占用一个字节。但有的时候，我们只需要bool类型的数据量，但C/C++里面没有bool类型的数据，那如何使用bool类型的数据量呢，这就涉及到了位域的概念；并且使用位域（有的叫做位段）可以节省空间。

       具体的语法就是在变量名字后面，加上冒号(:)和指定的存储空间的位数。具体的定义语法如下：

struct A{
    char a:2;
    char b:3;
    char c:2;
    int  d;
};

      A.a = 2;

      A.b = 4;

      A.c = 1;

      A.d = 18;

      sizeof(A) = 8;

      假如 A 的地址为0x0004b80,则

地址	0x0004b80				0x0004b81~ 0x0004b83	0x0004b84~ 0x0004b87
	7~6	c:2	b:3	a:2		d
数值	0	1	3	2		18

       在这里讲解位域的时候，涉及到了内存对齐或者叫字节对齐的概念，在下面讲解到。

3、内存

       内存地址对齐，是一种在计算机内存中排列数据（表现为变量的地址）、访问数据（表现为CPU读取数据）的一种方式，包含了两种相互独立又相互关联的部分：基本数据对齐和结构体数据对齐 。

       具体详细的请看我另外三篇专门讲解字节对齐的博客：

       #Pragma Pack(n)内存分配：https://mp.youkuaiyun.com/postedit/93205993

      C语言 字节对齐问题 详解： https://mp.youkuaiyun.com/postedit/92686850

      #pragma pack(push,1)与#pragma pack(1)的区别：https://mp.youkuaiyun.com/postedit/93206004