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分类: C/C++

2011-11-11 15:59:21

自第一台计算机诞生,其最小存储单元就被永久的定格了——一个由8个比特(bit)组成的称为字节(byte)的单位。计算机的所有内存以字节数组的方式进行编址。
当一个逻辑上长于一个字节的整形数据放置在内存中时(比如16位,32位,和64位的整数),计算机设计者需要考虑这些字节的存储顺序。一些体系结构的设计者选择了将字节的逻辑顺序与物理顺序一致,即将逻辑上较低的字节放置在物理上较低的字节上;另外一些设计者则选择了将字节的逻辑顺序与物理顺序相反,即将逻辑上较低的字节放置在物理上较高的字节上。前者被称为“little endian”,比如Intel x86系列;后者则被称为“big endian”,比如Motorola的PowerPC以及Sun Sparc。还有一些平台同时支持两种方案,由开发者决定使用哪一种。
两种选择为底层开发者带来了一定的困扰。比如,两个字节顺序不一致的平台之间进行通信,或者在两个字节顺序不一致的平台之间移植系统。这都是跨平台的例子,对于这些情况,字节顺序的问题是不能回避的。对于仅仅在一种平台上进行开发的程序员而言,如果它能够避免强制类型转换(比如将字节数组强制转换为一个长整数),一贯的以逻辑顺序来操作大于一个字节的整数,应该可以回避这个问题。但由于C语言是一种非常灵活的语言,有时候通过强制类型转换可以让代码非常精简,甚至达到非常巧妙的效果,所以,要求C程序员完全回避这个问题,几乎是不现实的。
由于Little Endian提供了逻辑顺序与物理顺序的一致性,让编程者摆脱了不一致性所带来的困扰,C语言开发者可以无所顾忌的按照自己的意愿进行强制类型转换,所以现代体系结构几乎都支持Little Endian。但Big Endian也有其优点,尤其对于汇编程序员:他们对于任意长度的整数,总是可以通过判断Byte 0的bit-7来查看一个整数的正负;对于Little Endian则不得不首先知道当前整数的长度,然后查看最高byte的bit-7来判断其正负。对于这种情况,big endian的开发者可以写出非常高效的代码。
两派的支持者争论不休,正像他们所支持名词(big endian和little endian)的典故所讲述的那样:Little Endian和Big Endian这两个名词来源于Jonathan Swift的《格利佛游记》其中交战的两个派别无法就应该从哪一端--小端还是大端--打开一个半熟的鸡蛋达成一致。:)在那个时代,Swift是在讽刺英国和法国之间的持续冲突,Danny Cohen,一位网络协议的早期开创者,第一次使用这两个术语来指代字节顺序,后来这个术语被广泛接纳了(摘自《深入理解计算机系统》)。
需要特别指出的是,通常所提到的Little Endian和Big Endian仅仅指字节顺序。在硬件设计者的术语中,对于一个字节内部的bit顺序也分Little Endian和Big Endian,但对于程序员而言,这些bit顺序的不同是透明的,也就是说,程序员只需要按照逻辑顺序来看待和操作字节内部的bit即可。
Endian的不同不仅仅带来字节顺序的不同,还有更多的问题。如果C程序员在定义一个结构体时,使用了bitwise的域定义,比如:
struct foo {
 int  a:3;
 int b:7;
 int c:13;
 int d:9;
};
这个结构体的一个对象会占用4个字节。由于a,b,c,d的类型都是int,所以他们都在以int32为单位的整数上分配bit,另外,由于他们的bit数量正好等于int32的bit数,所以,它们都分配于一个int所占用的空间。关键问题在于这些字节在这4个字节内是分配顺序是怎么样的?
对于little endian,其分配顺序与逻辑顺序是一致的,即在byte[0]的bit[0~2]上分配a,在byte[0]的bit[3,7]以及byte[1]的bit[0,1]上分配b,依次类推。
对于big endian,其方案会带来很大的问题。其分配顺序为:
字节物理顺序:从低到高;
字节内bit顺序:从高到底;
也就是说,big endian在bitwise的分配方案上,从字节顺序到bit顺序都反过来了(因为其正向存储顺序为:字节从高到底,bit从低到高(从程序员的观点看))。换句话说:big endian的bit分配顺序为,按照bit的逻辑顺序,从高到底进行分配。
          
                     |--------|--------|--------|--------|
Logical Byte Order   | byte 3 | byte 2 | byte 1 | byte 0 |
                     |--------|--------|--------|--------|
Bitwise allocation   |-a-|---b---|------c------|----d----|
请注意,并不是硬件平台使用的这种方案,而是C语言编译器。这是一种荒谬的方案,我想可能是C语言编译器的早期开发者希望通过编译器屏蔽掉big endian和little endian在bitwise allocation上的差异,而都与物理存储顺序一致。但由于其采用了bit order的反向分配,反而加剧了这种差异,随后的编译器为了保持兼容,也只好将错误延续了下来。
基于这种原因,在C语言中直接使用bitwise的方式定义结构体是一种危险的方式,因为这些代码是平台依赖的。当进行跨平台移植的时候必须重新定义这些结构体。
有两种方式可以消除这种风险:
1、使用逻辑移位的方式来操作bit;以上面的例子为例,我们可以这么做:
struct foo {
 int value;
};
#define SET_A(f,a)  do { (f) |= ((a)&0x7); } while(0)
#define SET_B(f,b)  do { (f) |= (((b)&0x7F)<<3); } while(0)
#define SET_C(f,c)  do { (f) |= (((c)&0x1FFF)<<10); } while(0)
#define SET_D(f,d)  do { (f) |= (((d)&0x1FF)<<23); } while(0)
#define GET_A(f)  ((f)&0x7)
#define GET_B(f)  (((f)>>3)&0x7F)
#define GET_C(f)  (((f)>>10)&0x1FFF)
#define GET_D(f)  (((f)>>23)&0x1FF)
2、对于big endian,我们可以使用相反的顺序来声明bitwise fields。仍然以上例为例:
#if LITTLE_ENDIAN
#define BITWISE(type,a,b,c,d)  type a, b, c, d
#else
#define BITWISE(type,a,b,c,d)  type d, c, b, a
#endif
struct foo {
 BITWISE(int, a:3, b:7, c:13, d:9);
};
对于little endian,逻辑顺序与物理顺序一致,只需要按照原样定义;而对于big endian,由于其整体的bit顺序恰好与逻辑顺序是相反的,所以,我们将顺序反过来,使其bit的分配顺序与逻辑顺序一致即可。
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