C語言：位域和字節序
1. 粉絲問題
自己編寫的一個協議相關代碼，位域的值解析和自己想象的有出入。
問題
結構體的頭：
解析代碼和測試結果：
就是說通過函數hexdump()解析出的內存是十六進制是 81 83 20 3B ......
從數據幀解析出的
- opcode = 0x8
該粉絲不明白為什么解析出的值是0x8。
這個問題其實就是位域的問題和字節序的問題。
測試代碼
廢話不多說，直接寫個測試代碼
- #include <stdio.h>
- //簡化的結構體
- struct iphdr {
- unsigned char fin:1;
- unsigned char rsv:3;
- unsigned char opcode:4;
- unsigned char mask:1;
- unsigned char payload:7;
- unsigned char a;
- unsigned char b;
- };
- main()
- {
- struct iphdr t;
- unsigned char *s;
- //清空內存，防止有亂碼
- memset(&t,0,4);
- //用指針指向結構體變量t
- s = (unsigned char*)&t;
- //通過數組訪問的方式修改內存的值，因為hexdump解析的值是0x81 83,
- //所以0x81必為最低字節的內存的數據
- s[0] = 0x81;
- s[1] = 0x83;
- //打印出位域成員的值
- printf("fin:%d rsv：%d opcode：%d mask：%d paylod：%d \n",
- t.fin,t.rsv,t.opcode,t.mask,t.payload);
- }
執行結果：
- fin：1，rsv：0，opcode：8，mask：1 paylod：65
分析：如下圖所示，紫色部分是位域成員對應的內存中的實際空間布局，地址從左到右增加 第一個字節的0x81賦值后，各位域對應的二進制：
- fin：1
- rsv：0
- opcode：1000
- mask：1
- paylod：1000001
如上圖多少，內存的第1個字節是0x81,第2個字節是0x83;
第一個字節0x81的最低的bit[0]對應fin，bit[3:1]對應rsv，bit[7:4]對應opcode;第二個字節0x83的最低bit[0]對應mask，bit[7:1]對應payload。
所以結果顯而易見。
2、什么是位域?
有些信息在存儲時，并不需要占用一個完整的字節， 而只需占幾個或一個二進制位。
例如在存放一個開關量時，只有0和1 兩種狀態， 用一位二進位即可。為了節省存儲空間，并使處理簡便，C語言又提供了一種數據結構，稱為“位域”或“位段”。
所謂“位域”是把一個字節中的二進位劃分為幾個不同的區域，并說明每個區域的位數。
每個域有一個域名，允許在程序中按域名進行操作。這樣就可以把幾個不同的對象用一個字節的二進制位域來表示。一、位域的定義和位域變量的說明位域定義與結構定義相仿，其形式為：
- struct 位域結構名
- {
- 位域列表
- };
其中位域列表的形式為：
- 類型說明符 位域名：位域長度
如粉絲所舉的實例：
- struct iphdr {
- unsigned char fin:1;
- unsigned char rsv:3;
- unsigned char opcode:4;
- unsigned char mask:1;
- unsigned char payload:7;
- unsigned char a;
- unsigned char b;
- };
位域變量的說明與結構變量說明的方式相同。可采用先定義后說明，同時定義說明或者直接說明這三種方式。例如：
- struct bs
- {
- int a:8;
- int b:2;
- int c:6;
- }data;
說明data為bs變量，共占兩個字節。其中位域a占8位，位域b占2位，位域c占6位。對于位域的定義尚有以下幾點說明：
一個位域必須存儲在同一個字節中，不能跨兩個字節。
如一個字節所剩空間不夠存放另一位域時，應從下一單元起存放該位域。也可以有意使某位域從下一單元開始。例如：
- struct bs
- {
- unsigned a:4
- unsigned :0 /空域/
- unsigned b:4 /從下一單元開始存放/
- unsigned c:4
- }；
在這個位域定義中，a占第一字節的4位，后4位填0表示不使用，b從第二字節開始，占用4位，c占用4位。
位域可以無位域名，這時它只用來作填充或調整位置。無名的位域是不能使用的。例如：
- struct k
- {
- int a:1
- int :2 /該2位不能使用/
- int b:3
- int c:2
- };
從以上分析可以看出，位域在本質上就是一種結構類型， 不過其成員是按二進位分配的。
這是位域操作的表示方法，也就是說后面加上“：1”的意思是這個成員的大小占所定義類型的1 bit，“：2”占2 bit，依次類推。當然大小不能超過所定義類型包含的總bit數。
一個bytes(字節)是8個 bit(二進制位)。例如你的結構體中定義的類型是u_char，一個字節，共8個bit，最大就不能超過8。32位機下，short是2字節，共16bit，最大就不能超過16，int是4字節，共32bit，最大就不能超過32. 依次類推。
位域定義比較省空間。
例如你上面的結構，定義的變量類型是u_char，是一字節類型，即8bit。
fc_subtype占了4bit，fc_type占2bit,fc_protocol_version占2bit，共8bit，正好是一個字節。
其他八個成員,各占1bit，共8bit，正好也是一個字節。
因此你的結構的大小如果用sizeof(struct frame_control)計算，就是2bytes。
3. 如何測試當前是大端還是小端?
計算機硬件有兩種儲存數據的方式：大端字節序(big endian)和小端字節序(little endian)。大端字節序：高位字節在前，低位字節在后，這是人類讀寫數值的方法。小端字節序：低位字節在前，高位字節在后。
0x1234567的大端字節序和小端字節序的寫法如下圖。
為什么會有小端字節序?
答案是，計算機電路先處理低位字節，效率比較高，因為計算都是從低位開始的。所以，計算機的內部處理都是小端字節序。
但是，人類還是習慣讀寫大端字節序。所以，除了計算機的內部處理，其他的場合幾乎都是大端字節序，比如網絡傳輸和文件儲存。
計算機處理字節序的時候，不知道什么是高位字節，什么是低位字節。它只知道按順序讀取字節，先讀第一個字節，再讀第二個字節。
如果是大端字節序，先讀到的就是高位字節，后讀到的就是低位字節。小端字節序正好相反。
理解這一點，才能理解計算機如何處理字節序。
處理器讀取外部數據的時候，必須知道數據的字節序，將其轉成正確的值。然后，就正常使用這個值，完全不用再考慮字節序。
即使是向外部設備寫入數據，也不用考慮字節序，正常寫入一個值即可。外部設備會自己處理字節序的問題。
實例
仍然用上面的例子，但是做如下修改
- #include <stdio.h>
- struct iphdr {
- unsigned char fin:1;
- unsigned char rsv:3;
- unsigned char opcode:4;
- unsigned char mask:1;
- unsigned char payload:7;
- };
- main()
- {
- struct iphdr t;
- unsigned short *s;
- memset(&t,0,2);
- s = (unsigned char *)&t;
- //注意，直接賦值0x8183，因為該常量必然和主機字節序一致，
- //小端：83給低字節，
- //大端：81給低字節
- *s = 0x8183;
- printf("fin:%d rsv：%d opcode：%d mask：%d paylod：%d \n",
- t.fin,t.rsv,t.opcode,t.mask,t.payload);
- }
執行結果：
- fin：1 rsv：1 opcode：8 mask：1 paylod：64
由結果可知，收到的0x8183這個值與對應的的二進制關系:
- fin：1
- rsv：001
- opcode：1000
- mask：1
- paylod：1000000
如上圖多少，內存的第1個字節是0x83,第2個字節是0x81【和前面的例子不一樣了，因為我們是直接賦值0x8183,而該常數是小字節序，所以低字節是0x83】;
可見：
低字節83給了 fin+rsv+opcode
所以，這說明了一口君的ubuntu是小端字節序。
4. 拓展例子
繼續將結構體做如下修改，當位域成員大小加一起不夠一個整字節的時候，驗證各成員在內存中的布局。
- #include <stdio.h>
- struct iphdr {
- unsigned char fin:1;
- unsigned char opcode:4;
- unsigned char a;
- unsigned char b;
- };
- main()
- {
- struct iphdr t;
- unsigned char *s;
- memset(&t,0,2);
- s = (unsigned short *)&t;
- t.fin = 1;
- t.opcode = 0xf;
- printf("%x\n",s[0]);
- }
- fin：1
- opcode：1111
內存中形式如下：
如果修改fin的值為0：
- t.fin = 0;
執行結果如下：
- fin：0
- opcode：1111
內存中形式如下：
5. 總結
大家遇到類似問題的時候，一定要寫一些實例去驗證，對于初學者來說，建議多參考上述實例。
