Big-Endian和Little-Endian

大端,小端

一、什么是字节序

字节序，顾名思义字节的顺序，再多说两句就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序(一个字节的数据当然就无需谈顺序的问题了)。其实大部分人在实际的开发中都很少会直接和字节序打交道。唯有在跨平台以及网络程序中字节序才是一个应该被考虑的问题。

在所有的介绍字节序的文章中都会提到字 节序分为两类：Big-Endian和Little-Endian，引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：
a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端
b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
c) 网络字节序：TCP/IP各层协议将字节序定义为Big-Endian，因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。

1.1 什么是高/低地址端

首先我们要知道我们C程序映像中内存的空间布局情况：在《C专 家编程》中或者《Unix环境高级编程》中有关于内存空间布局情况的说明，大致如下图：
----------------------- 最高内存地址 0xffffffff
栈底
栈
栈顶
-----------------------

NULL (空洞) 
-----------------------
堆
-----------------------
未初始 化的数据
----------------------- 统称数据段
初始化的数据
-----------------------
正 文段(代码段)
----------------------- 最低内存地址 0x00000000

以上图为例如果我们在栈 上分配一个unsigned char buf[4]，那么这个数组变量在栈上是如何布局的呢？看下图：
栈底 （高地址）
----------
buf[3] 
buf[2]
buf[1]
buf[0]
----------
栈顶 （低地址）

1.2 什么是高/低字节

现在我们弄清了高/低地址，接着考虑高/低字节。有些文章中称低位字节为最低有效位，高位字节为最高有效位。如果我们有一个32位无符号整型0x12345678，那么高位是什么，低位又是什么呢？ 其实很简单。在十进制中我们都说靠左边的是高位，靠右边的是低位，在其他进制也是如此。就拿 0x12345678来说，从高位到低位的字节依次是0x12、0x34、0x56和0x78。
高/低地址端和高/低字节都弄清了。我们再来回顾 一下Big-Endian和Little-Endian的定义，并用图示说明两种字节序：
以unsigned int value = 0x12345678为例，分别看看在两种字节序下其存储情况，我们可以用unsigned char buf[4]来表示value：

Big-Endian: 低地址存放高位，如下图：
栈底 （高地址）
---------------
buf[3] (0x78) -- 低位
buf[2] (0x56)
buf[1] (0x34)
buf[0] (0x12) -- 高位
---------------
栈顶 （低地址）

Little-Endian: 低地址存放低位，如下图：
栈底 （高地址）
---------------
buf[3] (0x12) -- 高位
buf[2] (0x34)
buf[1] (0x56)
buf[0] (0x78) -- 低位
--------------
栈 顶 （低地址）

 

二、各种Endian2.1 Big-Endian

计算机体系结构中一种描述多字节存储顺序的术语，在这种机制中最重要字节（MSB）存放在最低端的地址 上。采用这种机制的处理器有IBM3700系列、PDP-10、Mortolora微处理器系列和绝大多数的RISC处理器。
+----------+
| 0x34 |<-- 0x00000021
+----------+
| 0x12 |<-- 0x00000020
+----------+
图 1：双字节数0x1234以Big-Endian的方式存在起始地址0x00000020中

　在Big-Endian中，对于bit序列 中的序号编排方式如下（以双字节数0x8B8A为例）：
bit 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
+-----------------------------------------+
val | 1 0 0 0 1 0 1 1 | 1 0 0 0 1 0 1 0 |
+----------------------------------------+
图 2：Big-Endian的bit序列编码方式

2.2 Little-Endian

计算机体系结构中 一种描述多字节存储顺序的术语，在这种机制中最不重要字节（LSB）存放在最低端的地址上。采用这种机制的处理器有PDP-11、VAX、Intel系列 微处理器和一些网络通信设备。该术语除了描述多字节存储顺序外还常常用来描述一个字节中各个比特的排放次序。

+----------+
| 0x12 |<-- 0x00000021
+----------+
| 0x34 |<-- 0x00000020
+----------+

图3：双字节数0x1234以Little-Endian的方式存在起始地址0x00000020中

　在 Little-Endian中，对于bit序列中的序号编排和Big-Endian刚好相反，其方式如下（以双字节数0x8B8A为例）：

bit 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
+-----------------------------------------+
val | 1 0 0 0 1 0 1 1 | 1 0 0 0 1 0 1 0 |
+-----------------------------------------+
图 4：Little-Endian的bit序列编码方式

注2：通常我们说的主机序（Host Order）就是遵循Little-Endian规则。所以当两台主机之间要通过TCP/IP协议进行通信的时候就需要调用相应的函数进行主机序 （Little-Endian）和网络序（Big-Endian）的转换。

注3：正因为这两种机制对于同一bit序列的序号编排方式恰 恰相反，所以《现代英汉词典》中对MSB的翻译为“最高有效位”欠妥，故本文定义为“最重要的bit/byte”。

2.3 Middle-Endian

除了Big-Endian和Little-Endian之外的多字节存储顺序就是Middle- Endian，比如以4个字节为例：象以3-4-1-2或者2-1-4-3这样的顺序存储的就是Middle-Endian。这种存储顺序偶尔会在一些小 型机体系中的十进制数的压缩格式中出现。

嵌入式系统开发者应该对Little-endian和Big-endian模式非常了解。采用 Little-endian模式的CPU对操作数的存放方式是从低字节到高字节，而Big-endian模式对操作数的存放方式是从高字节到低字节。 32bit宽的数0x12345678在Little-endian模式CPU内存中的存放方式（假设从地址0x4000开始存放）为：

内存 地址	0x4000	0x4001	0x4002	0x4003
存放内容	0x78	0x56	0x34	0x12

 

而在Big- endian模式CPU内存中的存放方式则为：

内存地址	0x4000	0x4001	0x4002	0x4003
存放内容	0x12	0x34	0x56	0x78

 

三、Big-Endian和Little-Endian优缺点

Big-Endian优点：靠首先提取高位字节，你总是可以由看看在偏移位置为0的字节来确定这个数字是 正数还是负数。你不必知道这个数值有多长，或者你也不必过一些字节来看这个数值是否含有符号位。这个数值是以它们被打印出来的顺序存放的，所以从二进制到十进制的函数特别有效。因而，对于不同要求的机器，在设计存取方式时就会不同。

Little-Endian优点：提取一个，两个，四个或者更长字节数据的汇编指令以与其他所有格式相同的方式进行：首先在偏移地址为0的地方提取最低位的字节，因为地址偏移和字节数是一对 一的关系，多重精度的数学函数就相对地容易写了。

如果你增加数字的值，你可能在左边增加数字（高位非指数函数需要更多的数字）。因此， 经常需要增加两位数字并移动存储器里所有Big-endian顺序的数字，把所有数向右移，这会增加计算机的工作量。不过，使用Little- Endian的存储器中不重要的字节可以存在它原来的位置，新的数可以存在它的右边的高位地址里。这就意味着计算机中的某些计算可以变得更加简单和快速。(什么意思?????)

四、如何检查处理器是Big-Endian还是Little-Endian?

由于联合体union的存放顺序是所有成员都从低地址开始存放，利用该特性就可以轻松地获得了CPU对内存采用Little- endian还是Big-endian模式读写。例如：

明白大端和小端的区别，实现起来就非常简单：

#include 

int main()
{
  union ut

{
    short s;
    char c[2];
   }u;

    if(sizeof(short) == 2)
    {
   u.s = 0x0102;
   if(u.c[0] == 1 && u.c[1] == 2)
   {
    printf("big enidan/n");
   }else if(u.c[0] == 2 && u.c[1] == 1)
   {
    printf("little endian./n");
   }
   return 0;
  }
}

 

五、Big-Endian和Little-Endian转 换

 

现有的平台上Intel的X86采用的是Little-Endian，而像 Sun的SPARC采用的就是Big-Endian。那么在跨平台或网络程序中如何实现字节序的转换呢？这个通过C语言的移位操作很容易实现，例如下面的 宏：

#if defined(BIG_ENDIAN) && !defined(LITTLE_ENDIAN)

#define htons(A)   (A)
#define htonl(A)     (A)
#define ntohs(A)   (A)
#define ntohl(A)    (A)

#elif defined(LITTLE_ENDIAN) && !defined(BIG_ENDIAN)

#define htons(A)     ((((uint16)(A) & 0xff00) >> 8) | \
(((uint16)(A) & 0x00ff) << 8))
#define htonl(A)     ((((uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) | \
(((uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8) | \
(((uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8) | \
(((uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))
#define ntohs htons
#define ntohl htohl

#else

#error "Either BIG_ENDIAN or LITTLE_ENDIAN must be #defined, but not both."

六．问题：1、网络字节顺序字节内的比特位不受这种顺序的影响

比如一个字节 1000 0000 （或表示为十六进制 80H)不管是什么顺序其内存中的表示法都是这样。

2、大于1个字节的数据类型才有字节顺序问题

比如 Byte A，这个变量只有一个字节的长度，所以根据上一条没有字节顺序问题。所以字节顺序是“字节之间的相对顺序”的意思。

3、大于1个字节的数据类型的字节顺序有两种

比如 short B，这是一个两字节的数据类型，这时就有字节之间的相对顺序问题了。
网络字节顺序是“所见即所得”的顺序。而Intel类型的CPU的字节顺序与此相反。
比如上面的 short B=0102H(十六进制，每两位表示一个字节的宽度）。所见到的是“0102”，按一般数学常识，数轴从左到右的方向增加，即内存地址从左到右增加的话，在内存中这个 short B的字节顺序是：
01 02
这就是网络字节顺序。所见到的顺序和在内存中的顺序是一致的！
假设通过抓包得到网络数据的两个字节流为：01 02

而相反的字节顺序就不同了，其在内存中的顺序为：02 01

如果这表示两个 Byte类型的变量，那么自然不需要考虑字节顺序的问题。如果这表示一个 short 变量，那么就需要考虑字节顺序问题。根据网络字节顺序“所见即所得”的规则，这个变量的值就是：0102

假设本地主机是Intel类型的，那么要表示这个变量，有点麻烦：
定义变量 short X，字节流地址为：pt，按顺序读取内存是为x=*((short*)pt);
那么X的内存顺序当然是 01 02按非“所见即所得”的规则，这个内存顺序和看到的一样显然是不对的，所以要把这两个字节的位置调换。调换的方法可以自己定义，但用已经有的API还是更为方便。

网络字节顺序与主机字节顺序
NBO与HBO 网络字节顺序NBO（Network Byte Order）：按从高到低的顺序存储，在网络上使用统一的网络字节顺序，可以避免兼容性问题。主机字节顺序（HBO，Host Byte Order）：不同的机器HBO不相同，与CPU设计有关计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换。 

htonl()
简述：
    将主机的无符号长整形数转换成网络字节顺序。
    #include 
    u_long PASCAL FAR htonl( u_long hostlong);
    hostlong：主机字节顺序表达的32位数。
注释：
    本函数将一个32位数从主机字节顺序转换成网络字节顺序。
返回值：
    htonl()返回一个网络字节顺序的值。

inet_ntoa()
简述：
将网络地址转换成“.”点隔的字符串格式。
#include 
char FAR* PASCAL FAR inet_ntoa( struct in_addr in);
in：一个表示Internet主机地址的结构。
注释：
本函数将一个用in参数所表示的Internet地址结构转换成以“.” 间隔的诸如“a.b.c.d”的字符串形式。请注意inet_ntoa()返回的字符串存放在WINDOWS套接口实现所分配的内存中。应用程序不应假设该内存是如何分配的。在同一个线程的下一个WINDOWS套接口调用前，数据将保证是有效。
返回值：
若无错误发生，inet_ntoa()返回一个字符指针。否则的话，返回NULL。其中的数据应在下一个WINDOWS套接口调用前复制出来。

网络中传输的数据有的和本地字节存储顺序一致，而有的则截然不同，为了数据的一致性，就要把本地的数据转换成网络上使用的格式，然后发送出去，接收的时候也是一样的，经过转换然后才去使用这些数据，基本的库函数中提供了这样的可以进行字节转换的函数，如和htons( ) htonl( ) ntohs( ) ntohl( )，这里n表示network，h表示host，htons( ) htonl( )用于本地字节向网络字节转换的场合，s表示short，即对2字节操作，l表示long即对4字节操作。同样ntohs( )ntohl( )用于网络字节向本地格式转换的场合。

七．附

语言编译器比如说Java或FORTRAN必须明确他们开发的目标代码使用的是什么存储方式。有必要的话可以使用转换器可以用来转换存储顺序。

注意在使用big-endian和little-endian字节顺序中，一个位里面都是使用big-endian。也就是说，在存储的字节里一个位串代表的给定数没有big-endian和little-endian之分。比如说，有个十六位数4F放在一个给定的字节地质前面或者后面，在这个字节的这一位的里的顺序是:
　01001111

从这一位的顺序来看有可能是big-endian也可能是little-endian，但是CPUs和程序几乎都是设计成big-endian位序的。尽管如此在数据的交换中它有可能其中的一种顺序。　

Eric Raymond评述说Internet域名地址和e-mail地址是little-endian的。比如我们的网址用big-endian来表述是com.whatis.www。

Big-endian和little-endian来自于Jonathan Swift的Gulliver's Travels ，Big-endian是那个大鸡蛋是打破大头的那个政治派别，而反对派Lilliputian King要求他的国民打鸡蛋的时候用小的那一头。 

目前的存储器，多以byte为访问的最小单元，当一个逻辑上的整理必须分割为物理上的若干单元时就存在了先放谁后放谁的问题，于是endian的问题应运而生了。对于不同的存储方法，就有Big-endian和Little-endian两个描述。(这两个术语来自于 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。) 

存在“如果说"跟word或者说字长根本就没关系"，假设有一数据文件里面有N多数顺序排布，如果想以Little-Endian format 读入内存某区域，那么应该怎么读？怎么排？”这样的问题是由于对于endian的实质理解的偏差，endian指的是当物理上的最小单元比逻辑上的最小单元小时，逻辑到物理的单元排布关系。这里的“有一数据文件里面有N多数顺序排布”，这个“有一数据”显然不是逻辑上的最小单元，而其中的“N多数”的一个才是逻辑最小单元，于是可应用楼主表格中的原则排列，而“N多数”之间的顺序则是由这“N多数”的宿主决定的，比如是你写的程序，这个顺序由你决定。

刚才谈到了，endian指的是当物理上的最小单元比逻辑上的最小单元小时，逻辑到物理的单元排布关系。咱们接触到的物理单元最小都是byte，在通信领域中，这里往往是bit，不过原理也是类似的。 

实践可以给你更多的经验，比如在一个嵌入式系统的通信协议中，从底层射频驱动到上层的协议栈全部需要实现，那么很可能遇到多个endian的问题，底层的bit序、协议层的byte序、应用层的byte序，这些都是不同的概念。