1. 粉絲問題

自己編寫的一個(gè)協(xié)議相關(guān)代碼，位域的值解析和自己想象的有出入。

問題

結(jié)構(gòu)體的頭：

解析代碼和測試結(jié)果：

就是說通過函數(shù)hexdump（）解析出的內(nèi)存是十六進(jìn)制是 81 83 20 3B 。..。..

從數(shù)據(jù)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(gè)問題其實(shí)就是位域的問題和字節(jié)序的問題。

測試代碼

廢話不多說，直接寫個(gè)測試代碼

#include 《stdio.h》

//簡化的結(jié)構(gòu)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(nèi)存，防止有亂碼

memset（&t，0，4）;

//用指針指向結(jié)構(gòu)體變量t

s = （unsigned char*）&t;

//通過數(shù)組訪問的方式修改內(nèi)存的值，因?yàn)閔exdump解析的值是0x81 83，

//所以0x81必為最低字節(jié)的內(nèi)存的數(shù)據(jù)

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

”，

t.fin，t.rsv，t.opcode，t.mask，t.payload）;

}

執(zhí)行結(jié)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(yīng)的內(nèi)存中的實(shí)際空間布局，地址從左到右增加第一個(gè)字節(jié)的0x81賦值后，各位域?qū)?yīng)的二進(jìn)制：

fin：1

rsv：0

opcode：1000

mask：1

paylod：1000001

如上圖多少，內(nèi)存的第1個(gè)字節(jié)是0x81，第2個(gè)字節(jié)是0x83;

第一個(gè)字節(jié)0x81的最低的bit［0］對應(yīng)fin，bit［3:1］對應(yīng)rsv，bit［7:4］對應(yīng)opcode；第二個(gè)字節(jié)0x83的最低bit［0］對應(yīng)mask，bit［7:1］對應(yīng)payload。

所以結(jié)果顯而易見。

2、什么是位域？

有些信息在存儲(chǔ)時(shí)，并不需要占用一個(gè)完整的字節(jié)， 而只需占幾個(gè)或一個(gè)二進(jìn)制位。

例如在存放一個(gè)開關(guān)量時(shí)，只有0和1 兩種狀態(tài)， 用一位二進(jìn)位即可。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，并使處理簡便，C語言又提供了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為“位域”或“位段”。

所謂“位域”是把一個(gè)字節(jié)中的二進(jìn)位劃分為幾個(gè)不同的區(qū)域，并說明每個(gè)區(qū)域的位數(shù)。

每個(gè)域有一個(gè)域名，允許在程序中按域名進(jìn)行操作。這樣就可以把幾個(gè)不同的對象用一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)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(jié)構(gòu)定義相仿，其形式為：

struct 位域結(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)構(gòu)變量說明的方式相同。可采用先定義后說明，同時(shí)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(gè)字節(jié)。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(diǎn)說明：

一個(gè)位域必須存儲(chǔ)在同一個(gè)字節(jié)中，不能跨兩個(gè)字節(jié)。

如一個(gè)字節(jié)所剩空間不夠存放另一位域時(shí)，應(yīng)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(gè)位域定義中，a占第一字節(jié)的4位，后4位填0表示不使用，b從第二字節(jié)開始，占用4位，c占用4位。

位域可以無位域名，這時(shí)它只用來作填充或調(diào)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(zhì)上就是一種結(jié)構(gòu)類型， 不過其成員是按二進(jìn)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(gè)成員的大小占所定義類型的1 bit，“：2”占2 bit，依次類推。當(dāng)然大小不能超過所定義類型包含的總bit數(shù)。

一個(gè)bytes（字節(jié)）是8個(gè) bit（二進(jìn)制位）。例如你的結(jié)構(gòu)體中定義的類型是u_char，一個(gè)字節(jié)，共8個(gè)bit，最大就不能超過8。32位機(jī)下，short是2字節(jié)，共16bit，最大就不能超過16，int是4字節(jié)，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(jié)構(gòu)，定義的變量類型是u_char，是一字節(jié)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(gè)字節(jié)。

其他八個(gè)成員，各占1bit，共8bit，正好也是一個(gè)字節(jié)。

因此你的結(jié)構(gòu)的大小如果用sizeof（struct frame_control）計(jì)算，就是2bytes。

3. 如何測試當(dāng)前是大端還是小端？

計(jì)算機(jī)硬件有兩種儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的方式：大端字節(jié)序（big endian）和小端字節(jié)序（little endian）。大端字節(jié)序：高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后，這是人類讀寫數(shù)值的方法。小端字節(jié)序：低位字節(jié)在前，高位字節(jié)在后。

0x1234567的大端字節(jié)序和小端字節(jié)序的寫法如下圖。

為什么會(huì)有小端字節(jié)序？

答案是，計(jì)算機(jī)電路先處理低位字節(jié)，效率比較高，因?yàn)橛?jì)算都是從低位開始的。所以，計(jì)算機(jī)的內(nèi)部處理都是小端字節(jié)序。

但是，人類還是習(xí)慣讀寫大端字節(jié)序。所以，除了計(jì)算機(jī)的內(nèi)部處理，其他的場合幾乎都是大端字節(jié)序，比如網(wǎng)絡(luò)傳輸和文件儲(chǔ)存。

計(jì)算機(jī)處理字節(jié)序的時(shí)候，不知道什么是高位字節(jié)，什么是低位字節(jié)。它只知道按順序讀取字節(jié)，先讀第一個(gè)字節(jié)，再讀第二個(gè)字節(jié)。

如果是大端字節(jié)序，先讀到的就是高位字節(jié)，后讀到的就是低位字節(jié)。小端字節(jié)序正好相反。

理解這一點(diǎn)，才能理解計(jì)算機(jī)如何處理字節(jié)序。

處理器讀取外部數(shù)據(jù)的時(shí)候，必須知道數(shù)據(jù)的字節(jié)序，將其轉(zhuǎn)成正確的值。然后，就正常使用這個(gè)值，完全不用再考慮字節(jié)序。

即使是向外部設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，也不用考慮字節(jié)序，正常寫入一個(gè)值即可。外部設(shè)備會(huì)自己處理字節(jié)序的問題。

實(shí)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?yàn)樵摮Ａ勘厝缓椭鳈C(jī)字節(jié)序一致，

//小端：83給低字節(jié)，

//大端：81給低字節(jié)

*s = 0x8183;

printf（“fin：%d rsv：%d opcode：%d mask：%d paylod：%d

”，

t.fin，t.rsv，t.opcode，t.mask，t.payload）;

}

執(zhí)行結(jié)果：

fin：1 rsv：1 opcode：8 mask：1 paylod：64

由結(jié)果可知，收到的0x8183這個(gè)值與對應(yīng)的的二進(jìn)制關(guān)系：

fin：1

rsv：001

opcode：1000

mask：1

paylod：1000000

如上圖多少，內(nèi)存的第1個(gè)字節(jié)是0x83，第2個(gè)字節(jié)是0x81【和前面的例子不一樣了，因?yàn)槲覀兪侵苯淤x值0x8183，而該常數(shù)是小字節(jié)序，所以低字節(jié)是0x83】;

可見：

低字節(jié)83給了 fin+rsv+opcode

所以，這說明了一口君的ubuntu是小端字節(jié)序。

4. 拓展例子

繼續(xù)將結(jié)構(gòu)體做如下修改，當(dāng)位域成員大小加一起不夠一個(gè)整字節(jié)的時(shí)候，驗(yàn)證各成員在內(nèi)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

”，s［0］）;

}

fin：1

opcode：1111

內(nèi)存中形式如下：

如果修改fin的值為0：

t.fin = 0;

執(zhí)行結(jié)果如下：

fin：0

opcode：1111

內(nèi)存中形式如下：

5. 總結(jié)

大家遇到類似問題的時(shí)候，一定要寫一些實(shí)例去驗(yàn)證，對于初學(xué)者來說，建議多參考上述實(shí)例。

原文標(biāo)題：【問答21】C語言：位域和字節(jié)序

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