Endianess是个比较tricky的问题,特别是当数据在不同类型间转换时。
先看看在一台32位的little-endian机器上,以下代码的行为:
#include <stdio.h> // memcpy
#include <stdlib.h> // printf
typedef struct {
char a;
char b;
char c;
char d;
} st;
void main() {
st s;
memcpy(&s, "RednaxelaFX", sizeof(s));
printf("sizeof(s) = %d\n", sizeof(s)); // 4
printf("%X\n", s); // 6E646552
printf("%c, %c, %c, %c\n", s.a, s.b, s.c, s.d); // R, e, d, n
}
在32位x86上有4字节的对齐,正好4个char就是4字节于是st中没有padding。可以看到,struct中的成员是按声明顺序从低地址到高地址排列的。C99规范的6.7.2.1规定了这点。一个数组是一块连续的、有序的空间,而一个字符串是一个char数组,所以可以看到s.a, s.b, s.c, s.d跟字符串(char数组)的开头4个字符(字节)对应:'R' 'e' 'd' 'n'(52 65 64 6E)分成4段:(| 52 | 65 | 64 | 6E |)分别对应s.a到s.d。
但将该struct解释为一个32位的整型,并以十六进制的方式显示出来,则会发现字节的顺序颠倒了过来:
原本'R' 'e' 'd' 'n'的十六进制表示是52 65 64 6E;转换为一个整型之后,则变为0x6E646552,字节的顺序正好反了过来。注意是字节而不是位的顺序反了过来,字节内的位的顺序依然保持不变。
这体现了little-endian机器上对数据解释方式的不同。在内存中的数据在参与运算前会先加载到寄存器中,字节序(endian)的差异就在这一步上:如果是big-endian,则读到寄存器的数据的字节序跟内存中的一样;反之如果是little-endian,则读到寄存器的数据的字节序跟内存中的相反。
说“相反”,到底在多大的范围内“相反”呢?这就要看运算涉及的数据类型(特指原始数据类型dword/word/byte等)的宽度了:数据类型有多宽,就在多少字节间需要将字节顺序反转过来。如果上面的st中不是含有4个char而是含有两个short,那么在32位x86上的执行结果就会变成:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct {
short a;
short b;
} st;
void main() {
st s;
memcpy(&s, "RednaxelaFX", sizeof(s));
printf("sizeof(s) = %d\n", sizeof(s)); // 4
printf("%X\n", s); // 6E646552
printf("%X, %X\n", s.a, s.b); // 6552, 6E64
}
也就是把'R' 'e' 'd' 'n'(52 65 64 6E)分成两段(| 52 65 | 64 6E |),然后将字节的顺序反转过来解释为整型数字(0x6552,0x6E64)。直接解释为一个32位整型的时候,'R' 'e' 'd' 'n'(52 65 64 6E)分成一段(| 52 65 64 6E |),并在这一段内反转字节顺序得到0x6E646552。
前面用4个char为例时,因为每个单元的数据本身就只有1字节,反转不反转没有差别,所以无论是在big-endian还是在little-endian机器上执行的结果都会是一样的。
再次强调:字节序只影响解释数据时字节间的顺序,不影响每个字节内的位的顺序。
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那么结合C struct里的bitfield又会怎样的?
还是在C99规范的6.7.2.1节里,规范规定了可以对struct中的field显式指定宽度(以bit为单位);显式指定了宽度的field被称为bit-field。规范中同一小节中的第10点有如下说明:
引用
An implementation may allocate any addressable storage unit large enough to hold a bitfield. If enough space remains, a bit-field that immediately follows another bit-field in a structure shall be packed into adjacent bits of the same unit. If insufficient space remains, whether a bit-field that does not fit is put into the next unit or overlaps adjacent units is implementation-defined. The order of allocation of bit-fields within a unit (high-order to low-order or low-order to high-order) is implementation-defined. The alignment of the addressable storage unit is unspecified.
根据该说明,规范留下了许多故意未定义的地方,包括红字标出的:同一单元内排列bit-field的顺序未定义。所以我们无法根据规范确定同一组bit-field到底哪个在前哪个在后。
虽然如此,具体到某个机器上某个编译器所编译出来的结果还是需要解释的。这里以32位x86搭配VC9/GCC3.4为例,这两个编译器在这个例子中行为一样。观察下面代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct {
int a:5;
int :2;
int b:2;
} bitstruct;
void main() {
bitstruct b;
memcpy(&b, "RednaxelaFX", sizeof(b));
printf("sizeof(b) = %d\n", sizeof(b)); // 4
printf("%X\n", b); // 6E646552
printf("%X, %X\n", b.a, b.b); // FFFFFFF2, FFFFFFFE
printf("%d, %d\n", b.a, b.b); // -14, -2
}
例子中的bitstruct中有3个bit-field,第一个是名字为a的5位带符号整型,第二个是匿名的2位带符号整形,第三个是名字为b的2位带符号整型,加起来一共是9位,但32位x86上有4字节对齐的要求,所以经过padding后,bitstruct的宽度是4字节(32位)。从存储单元的角度看,1个dword(32位)就是1个存储单元,bitstruct中包含一个存储单元,并且其中的3个成员都在这个存储单元中。bitstruct.a占有“前”5位,匿名field占有紧接着的2位,然后bitstruct.b占有接下来的2位(注意“前”到底是从哪边开始在规范中并没有定义)。
这个宽度与前面两个例子中的st一样,当然执行到printf("%X\n", b);这句的时候结果也一样。关键就在这其中的bit-field是如何解释成-14和-2的。
从结果来看,可以知道:bitstruct的3个field都在同一个存储单元内,并且由于x86是little-endian的,数据从内存读到寄存器之后字节序就反了过来,高位字节到低位字节的顺序是“从右向左”;对应的,解释bitstruct中的各field时也从右向左来读。
寄存器中的b:
'n' 'd' 'e' 'R'
6E 64 65 52
用二进制表示就是:
01101110 01100100 01100101 01010010
“从右向左”来数宽度,最靠右的5位是b.a,其左边2位是匿名field,然后再左边2位是b.b。注意:从右向左数的是宽度,不是数据内容的位的顺序。
那么就有(二进制):
b.a: 10010
b.b: 10
由于这两个field是带符号的整型,读出来的时候需要做带符号扩展到一个int,于是它们就分别扩展到(十六进制):
b.a: FFFFFFF2
b.b: FFFFFFFE
换回用普通的带符号十进制表示也就是:
b.a: -14
b.b: -2
如果还是觉得没转过脑筋来,那么这样看:实际由编译器编译出来会像这样:(只是用于表现概念)
bitstruct b;
int temp;
// assign to b, make some changes, whatever...
// here's what's supposed to be "temp = b.a":
temp = (int)b;
temp <<= 27; // 27 == 32 - 5
temp >>= 27; // 27 == 32 - 5
// and here's what's supposed to be "temp = b.b":
temp = (int)b;
temp <<= 23; // 23 == 32 - 5 - 2 - 2
temp >>= 30; // 30 == 32 - 2
注意:
1. temp = (int)b;这里,把bitstruct里的数据解释为单个32位整型时,little-endian的作用就体现出来了;在4个字节的范围内字节的顺序需要反转过来。
2. 左移27位再右移27位与直接拿0x01F来做mask是不等价的:前者的右移是带符号的,而后者直接把符号掩盖掉了。
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需要在说明一次,规范中并没有规定一定要按照这个顺序,只是这个例子选用的机器+编译器组合中有这样的行为而已。bit-field在存储单元内安排的顺序如何从一般程序中是看不出来的,因为:
引用
The unary & (address-of) operator cannot be applied to a bit-field object; thus, there are no pointers to or arrays of bit-field objects.
无法获得单一bit-field的地址(但可以获得这个bit-field所在的存储单元的起始地址),所以一般程序无从得知到底bit-field是从哪边开始存的;编译器会生成合适的位移指令序列来得到bit-field的值/对bit-field赋值。程序不应该依赖于bit-field存储的顺序。
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