【转】C语言中的位域、字节序、比特序、大小端

本文深入探讨了比特序(位序)与字节序(大小端)的概念及其在计算机科学中的应用。详细介绍了LSB0与MSB0位序的区别,并通过实例展示了小端与大端CPU中数据的不同存储方式。
1.比特序 / 位序 /  bit numbering / bit endianness
 

我们知道一个字节有8位,也就是8个比特位。从第0位到第7位共8位。比特序就是用来描述比特位在字节中的存放顺序的。通过阅读网页http://en.wikipedia.org/wiki/Bit_numbering的内容,关于比特序我们得到下面的结论:

(1)比特序分为两种: LSB 0  位序MSB 0  位序
     LSB是指  least significant bit,MSB是指  most significant bit
LSB 0  位序是指:字节的第0位存放数据的 least significant bit,即我们的数据的 最低位存放在字节的第0位。
MSB 0  位序是指:字节的第0位存放 数据的most significant bit,即我们的数据的 最高位存放在字节的第0位。
 
所以说对于代码:char *ch = 0x96;  //  0x96 = 1001 0110
 
指针ch到底指向哪里呢?不难知道,如果是 LSB 0  位序则显然指针ch指向 最右边的也是 最低位的0.
而如果是 MSB 0  位序则显然指针ch指向 最左边的也是 最高位的1.
LSB 0: A container for 8-bit binary number with the highlighted  least significant bit assigned the bit number 0
 
MSB 0:A container for 8-bit binary number with the highlighted  most significant bit assigned the bit number 0
 
(2) 小端CPU通常采用的是LSB 0 位序,但是大端CPU却有可能采用 LSB 0  位序也有可能采用的是 MSB 0  位序
        ( Little-endian CPUs usually employ "LSB 0" bit numbering, however both bit numbering conventions can be seen in  big-endianmachines. )
(3)推荐的标准是 MSB 0  位序。
        (The recommended style for  Request for Comments documents is "MSB 0" bit numbering.)
(4)Bit numbering is usually transparent to the  software.
 
2.大小端和字节序    http://en.wikipedia.org/wiki/Endianess
In computing, the term endian or endianness refers to the ordering of individually addressable sub-components within the representation of a larger data item as stored in external memory (or, sometimes, as sent on a serial connection). Each sub-component in the representation has a unique degree of significance, like the place value of digits in a decimal number. These sub-components are typically 16- or 32-bit words, 8-bit bytes, or even bits. Endianness is a difference in data representation at the hardware level and may or may not be transparent at higher levels, depending on factors such as the type of high level language used.
计算机中,术语“端”是指:在内存中的一个较大的数据,它是由各个可以被单独寻址的部分组成,这些组成部分在该数据中是以怎样的顺序存放的呢?而这个问题涉及到“端”的概念, CPU是大端还是小端决定了这些组成部分的存放顺序
这些组成部分可能是16或32位的字、8位的字节、甚至是比特位。
The most common cases refer to how bytes are ordered within a single 16-32-, or 64-bit word。
我们通常碰到的情况是:字节是以怎样的顺序存放在一个16、32、64位的数据中
(当我们要存取一个16、32、64位数据的某一组成部分,也就是某一个或几个字节时,就要特别注意机器的“大小端”)
 A big-endian machine stores the most significant byte first, and a little-endian machine stores the least significant byte first.
Quick Reference - Byte Machine Example
EndianFirst Byte
(lowest address)
Middle BytesLast Byte
(highest address)
Summary
bigmost significant...least significantSimilar to a number written on paper (in Arabic numerals)
littleleast significant...most significantArithmetic calculation order (see carry propagation)

Examples of storing the value 0A0B0C0Dh in memory
Big-endian
Big-Endian.svg
Atomic element size 8-bit, address increment 1-byte (octet)
increasing addresses  →
...0Ah0Bh0Ch0Dh...

The most significant byte (MSB) value, which is 0Ah in our example, is stored at the memory location with the lowest address, the next byte value in significance, 0Bh, is stored at the following memory location and so on. This is akin to Left-to-Right reading in hexadecimal order.

Atomic element size 16-bit
increasing addresses  →
...0A0Bh0C0Dh...

The most significant atomic element stores now the value 0A0Bh, followed by 0C0Dh.

Little-endian
Little-Endian.svg
Atomic element size 8-bit, address increment 1-byte (octet)
increasing addresses  →
...0Dh0Ch0Bh0Ah...

The least significant byte (LSB) value, 0Dh, is at the lowest address. The other bytes follow in increasing order of significance.

Atomic element size 16-bit
increasing addresses  →
...0C0Dh0A0Bh...

The least significant 16-bit unit stores the value 0C0Dh, immediately followed by 0A0Bh. Note that 0C0Dh and 0A0Bh represent integers, not bit layouts (see bit numbering).

很显然“小端”机器符合“高高低低”的原则。及高位字节或字存放在高地址,低位字节或字存放在低地址。
另外“小端”机器中,数据在CPU的寄存器和内存中的存放顺序是一致的。
 
Byte addresses increasing from right to left
在我们写: 0xFF86 时,很明显地址是从右向左递增的。也就是低位写在右边,高位写在左边。
但是当我们写字符串时:char *str = "Hello world!",却是低位的字符写在左边,高位的字符写在了右边。
With 8-bit atomic elements:
←  increasing addresses
...0Ah0Bh0Ch0Dh...

The least significant byte (LSB) value, 0Dh, is at the lowest address. The other bytes follow in increasing order of significance.(这个明显符合我们的习惯)

With 16-bit atomic elements:

←  increasing addresses
...0A0Bh0C0Dh...

The least significant 16-bit unit stores the value 0C0Dh, immediately followed by 0A0Bh.

The display of text is reversed from the normal display of languages such as English that read from left to right. For example, the word "XRAY" displayed in this manner, with each character stored in an 8-bit atomic element:

←  increasing addresses
..."Y""A""R""X"...
可以看到和我们手写的顺序是相反的,这一点特别要注意!) 

If pairs of characters are stored in 16-bit atomic elements (using 8 bits per character), it could look even stranger:

←  increasing addresses
..."AY""XR"...

相关的一个C例子:
  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <string.h>
  4. int main()
  5. {
  6.         char a[] = {'a', 'b', 'c'};
  7.         char b[] = {'d', 'e', 'f'};
  8.         a[3] = 0;
  9.         printf("strlen(a)=%d, strlen(b)=%d\n", strlen(a), strlen(b));
  10.         printf("a=%s, b=%s\n", a, b);
  11.         printf("sizeof(a)=%d, sizeof(b)=%d\n", sizeof(a), sizeof(b));
  12.         return 0;
  13. }
运行结果:
strlen(a)=3, strlen(b)=6
a=abc, b=defabc
sizeof(a)=3, sizeof(b)=3
分析:
字符数组a和b都分配在栈上,先分配a, 而a中的字符是如何分配的呢?显然因为“写字符串时,低位的字符写在左边,高位的字符写在了右边”。'a'是最低位,'b'在中间,而'c'在最高位。而栈是从高地址从低地址扩展的。假如是小端CPU的话,按照“高高低低”的原则,高位的'c'应该最先分配,接着是'b',最后是'a'。
分配玩字符数组a之后,在分配字符数组b,同样的道理,高位的'f'应该最先分配,接着是'e',最后是'd'。
再执行a[3] = 0;显然a[3]的地址应该比'c'字符的地址要高。所以该语句执行玩之后的栈的情况如下:
高地址 <<---- 低地址
\0   c   b   a   f   e   d
所以:a字符打印的结果是:abc,而b字符打印的结果是:defabc.
strlen函数是计算字符的长度,当然要找到最后的结束字符'\0',才停止计算。所以字符a的长度是3,而字符b的长度是6.
sizeof并不根据末尾的结束字符来计算大小。
 例子2:
  1. #include <stdio.h>
  2. int main()
  3. {
  4.         unsigned long array[] = {0x12345678, 0xabcdef01, 0x456789ab};
  5.         unsigned short ret;
  6.         ret = *((unsigned short *)((unsigned long)array+7));
  7.         printf("0x%x\n", ret);
  8.         return 0;
  9. }
在“小端”CPU上结果为:0xabab。在“大端”CPU上应该为:0x0112.
例子3:
  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. int main(void){
  4.     int a[5]={1,2,3,4,5};
  5.     int *ptr =(int *)(&a+1);
  6.     printf("%d,%d\n",*(a+1),*(ptr-1))
  7.     return 0;
  8.     
  9. }
结果为:2,5 (此题与“大小端”无关。)
 
判断CPU是大端还是小端的方法有有多种:
  1. #include <stdio.h>
  2. #include <assert.h>
  3. int main()
  4. {
  5.     unsigned short x = 0xff01;
  6.     assert(sizeof(x) >= 2);
  7.     if(*(char*)&x == 1) //if(char(x) == 1)
  8.         printf("little-endian\n");
  9.     else if((char)x > 1)
  10.         printf("big-endian\n");
  11.     else
  12.         printf("unknown\n");
  13.     return 0;
  14. }
方法2:
  1. #include <stdio.h>
  2. int main()
  3. {
  4.         union{
  5.                 char c;
  6.                 int i;
  7.         }u;
  8.         u.i = 0x0201;
  9.         if(u.c == 1)
  10.                 printf("little-endian\n");
  11.         else if(u.c == 2)
  12.                 printf("big-endian\n");
  13.         else
  14.                 printf("unknown\n");
  15.         
  16.         return 0;
  17. }
3.C语言中的位域
先看几个例子:
  1. #include <stdio.h>
  2. union u{
  3.         struct {
  4.                 char i:1;
  5.                 char j:2;
  6.                 char m:3;
  7.         } s;
  8.         char c;
  9. }r;
  10. int main()
  11. {
  12.         r.s.i = 1; // 1
  13.         r.s.j = 2; // 10
  14.         r.s.m = 3; // 011
  15.         printf("0x%x\n", r.c);
  16.         return 0;
  17. }
gcc -o union union.c
./union
结果:0x1d (== 0001 1101 == 011 10 1
  1. #include <stdio.h>
  2. union {
  3.     struct
  4.     {
  5.         unsigned char a1:2;
  6.         unsigned char a2:3;
  7.         unsigned char a3:3;
  8.     }x;
  9.     unsigned char b;
  10. }d;
  11. int main(int argc, char* argv[])
  12. {
  13.     d.b = 100;   //100 == 0110 0100
  14.     printf("0x%x\n0x%x\n0x%x\n", d.x.a1, d.x.a2, d.x.a3);
  15.     return 0;
  16. }
gcc -o union2 union2.c
 
结果:
0x0 (== 00
0x1 (== 001
0x3 (== 011
上面两个例子的运行结果,似乎都说明:小端机器中, 位域的低位组成数据的低位,位域的高位组成了数据的高位

似乎也符合:小端CPU通常采用的是LSB 0 位序 的惯例。

但是这里有意个疑问:在大端CPU中,上面两个例子的结果是什么呢?结果和小端CPU一样吗?结果唯一吗?

因为前面我们说过:“但是大端CPU却有可能采用LSB 0 位序也有可能采用的是MSB 0 位序

 

原文地址:http://blog.chinaunix.net/uid-25909722-id-2749575.html

转载于:https://www.cnblogs.com/russellluo/archive/2012/06/09/2543364.html

### C语言结构体的使用方法和特性 #### 的基本概念 在C语言中,(Bit Fields)是一种特殊的数据结构,它允许程员在一个字节内定义多个二进制字段。这使得可以在有限的空间内存储多个布尔值或枚举值[^1]。 #### 定义的方式 通过在结构体内声明成员变量并指定其宽度来实现。基本语法如下: ```c struct { unsigned int member1 : n1; unsigned int member2 : n2; } yourStructName; ``` 其中 `unsigned int` 表示成员的数据类型,可以是 `signed int`, `unsigned int` 或 `_Bool`;而冒号后的数字指定了该成员占据多少个比特[^4]。 #### 实际应用案例 下面是一个具体的例子展示了如何创建包含不同长度的结构体: ```c typedef struct _net_pro_cdu { unsigned char acs : 4; // 占用前四 unsigned char : 0; // 不占任何, 起分隔作用 unsigned char ace : 4; // 接着占用后面的四个置 unsigned char dve : 4; // 新的一组四比特列 } Ncdu; ``` 这里定义了一个名为Ncdu的新类型,内部有三个分别占有4bit空间的成员acs、ace以及dve,并且还有一个匿名零宽用来强制结束当前字节边界上的填充[^3]。 #### 平台依赖性与移植注意事项 值得注意的是,尽管能够有效地利用内存资源,但由于编译器之间存在差异,对于相同代码片段所产生的实际布局可能有所不同。这意味着当涉及到跨平台开发时,应当特别注意确保程逻辑不会受到这种不确定性的负面影响[^2]。 #### 组合运用——联合体配合 除了单独作为结构体的一部分外,还可以将与其他高级特性结合起来使用。比如把放在联合体内可以让同一块物理地址既能按整体读写又能逐操作,从而进一步增强了灵活性[^5]。
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