打雞蛋你從大頭打破還是從小頭打破？嵌入式C語言之大小端模式、字節(jié)序

技術(shù)小白

大、小端模式的說法，來自喬納森·斯威夫特的小說《格列夫游記》，在小人國內(nèi)部分裂成 Big-endian 和 Little-endian 兩派，他們的爭論在于一派要求從雞蛋的大頭把雞蛋打破，另一派要求從雞蛋的小頭把雞蛋打破。斯威夫特借以諷刺英國的政黨之爭，而計(jì)算機(jī)工業(yè)則借此表示數(shù)據(jù)儲存順序的分歧。

大端模式，是指數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址中，而數(shù)據(jù)的低字節(jié)保存在內(nèi)存的高地址中，這樣的存儲模式有點(diǎn)兒類似于把數(shù)據(jù)當(dāng)作字符串順序處理：地址由小向大增加，而數(shù)據(jù)從高位往低位放；這和我們的閱讀習(xí)慣一致。

記憶方法: 地址的增長順序與值的增長順序相反。

小端模式，是指數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在內(nèi)存的高地址中，而數(shù)據(jù)的低字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址中，這種存儲模式將地址的高低和數(shù)據(jù)位權(quán)有效地結(jié)合起來，高地址部分權(quán)值高，低地址部分權(quán)值低，和我們的邏輯方法一致。

記憶方法: 地址的增長順序與值的增長順序相同。

那么，為什么會有大小端模式之分呢？

這是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，我們是以字節(jié)為單位的，每個地址單元都對應(yīng)著一個字節(jié)，一個字節(jié)為 8bit。但是在C語言中除了8bit的char之外，還有16bit的short型，32bit的long型（要看具體的編譯器），另外，對于位數(shù)大于 8位的處理器，例如16位或者32位的處理器，由于寄存器寬度大于一個字節(jié)，那么必然存在著一個如何將多個字節(jié)安排的問題。因此就導(dǎo)致了大端存儲模式和小端存儲模式。例如一個16bit的short型x，在內(nèi)存中的地址為0x0010，x的值為0x1122，那么0x11為高字節(jié)，0x22為低字節(jié)。對于大端模式，就將0x11放在低地址（即0x0010）中，0x22放在高地址中（即0x0011）中。小端模式，剛好相反。我們常用的X86結(jié)構(gòu)是小端模式，而KEIL C51則為大端模式。很多的ARM，DSP都為小端模式。有些ARM處理器還可以隨時在程序中（在ARM Cortex 系列使用REV、REV16、REVSH指令）進(jìn)行大小端的切換。

如此說來，大小端模式就是處理器在內(nèi)存中對多字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取的不同方式。注意兩點(diǎn)：一是處理器，大小端模式是處理器的差異造成的；二是多字節(jié)數(shù)據(jù)，也就是說只有處理器操作的數(shù)據(jù)類型超過一個字節(jié)時才會存在大小端模式的問題，而操作char類型數(shù)據(jù)是不存在該問題的。
　　
字節(jié)序是指多字節(jié)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中存儲或者網(wǎng)絡(luò)傳輸時各字節(jié)的存儲順序。字節(jié)序與大小端模式的概念相似，我們上面所說的就是在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中存儲的字節(jié)順序問題（即主機(jī)字節(jié)序），此外還存在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的字節(jié)順序問題（即網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序）。
　　
那么，為什么會存在網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序呢？

我們知道，網(wǎng)絡(luò)傳輸上的數(shù)據(jù)流是字節(jié)流，對于一個多字節(jié)數(shù)值，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r候，就需要考慮先傳遞哪個字節(jié)？也就是說，當(dāng)接收端收到第一個字節(jié)的時候，它是將這個字節(jié)作為高位還是低位來處理呢？實(shí)際上，接收端收到的第一個字節(jié)會被當(dāng)作高位看待，這就要求發(fā)送端發(fā)送的第一個字節(jié)應(yīng)當(dāng)是高位。而在發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送的第一個字節(jié)是該數(shù)字在內(nèi)存中起始地址對應(yīng)的字節(jié)。可見多字節(jié)數(shù)值在發(fā)送前，在內(nèi)存中數(shù)值應(yīng)該以大端模式存放。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序是 TCP/IP 中規(guī)定好的一種數(shù)據(jù)表示格式，它與具體的 CPU 類型、操作系統(tǒng)等無關(guān)，從而可以保證數(shù)據(jù)在不同主機(jī)之間傳輸時能夠被正確解釋。好了，我們需要記住，網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序是一種規(guī)定，它采用的是大端模式（Big-endian）。
　　
在網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)或是跨平臺開發(fā)時，就需要注意字節(jié)序的問題了。應(yīng)該保證只用一種字節(jié)序，否則兩方的解釋不一樣就會產(chǎn)生錯誤。為了方便開發(fā)，BSD socket 提供了以下四個轉(zhuǎn)換函數(shù)：

htons 把 unsigned short 類型從主機(jī)序轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)序
htonl 把 unsigned long 類型從主機(jī)序轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)序
ntohs 把 unsigned short 類型從網(wǎng)絡(luò)序轉(zhuǎn)換到主機(jī)序
ntohl 把 unsigned long 類型從網(wǎng)絡(luò)序轉(zhuǎn)換到主機(jī)序
在使用 Little-endian 的系統(tǒng)中，這些函數(shù)會把字節(jié)序進(jìn)行轉(zhuǎn)換；而在使用 Big-endian 的系統(tǒng)中，這些函數(shù)會定義成空宏。

看到這里，就會想：為什么只有 short 和 long 類型？對于 float 和 double類型怎么處理？要是遇到64位系統(tǒng)怎么辦？

有網(wǎng)友說：htons 和 htonl 是因?yàn)?TCP/IP 的一些參數(shù)用到 int 和 long，但沒有 float 和 double 的參數(shù)。另外，float 和 double，與 CPU 無關(guān)。一般編譯器是按照 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)解釋的，即把 float/double 看作4/8個字符的數(shù)組進(jìn)行解釋。因此，只要編譯器是支持IEEE浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)的，就不需要考慮字節(jié)順序。

大家注意到，這里說不需要轉(zhuǎn)換，也是有條件的。我沒有考證過例外情況的存在比例，但是我相信在絕大部分情況下，編譯器都是符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)的。如果你實(shí)在不放心，可以采取下面兩種辦法：

(1) 在保證不超過int范圍的情況下，將浮點(diǎn)數(shù)乘以100（或1000，10000，視所需精度隨你定）轉(zhuǎn)換為整數(shù)傳輸，在接收端再除以100，得到浮點(diǎn)數(shù)。

此外，我們還會聽到 Java字節(jié)序，Java字節(jié)序與網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序一樣，采用大端模式。不是說大小端模式只跟 CPU 有關(guān)嗎？也就是說不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用不同的字節(jié)序存儲數(shù)據(jù)，一種 CPU 不是 Big-endian 就是Little-endian。那這個 Java字節(jié)序到底是什么鬼？

Java 程序員是幸福，因?yàn)橄鄬τ?C/C++ 的不跨平臺，JVM 為開發(fā)人員屏蔽了大量的底層細(xì)節(jié)和復(fù)雜性，從而能夠?qū)⒕�力放在�?shí)現(xiàn)特定的業(yè)務(wù)邏輯上，因此 JVM 規(guī)定了數(shù)據(jù)的存儲順序（即大端模式）。所以做 Java 程序開發(fā)完全可以忽略字節(jié)序的存在，甚至有些 Java 程序員根本沒聽過字節(jié)序的概念。

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