位置和位序c語言（C語言位域和字節序）

2023-05-27 00:57:06

自己編寫的一個協議相關代碼，位域的值解析和自己想像的有出入。

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位是 81 83 20 3B ......

從數據幀解析出的

opcode=0x8

該粉絲不明白為什麼解析出的值是0x8。

這個問題其實就是位域的問題和字節序的問題。

廢話不多說，直接寫個測試代碼

#include//簡化的結構體structiphdr{unsignedcharfin:1;unsignedcharrsv:3;unsignedcharopcode:4;unsignedcharmask:1;unsignedcharpayload:7;unsignedchara;unsignedcharb;};main{structiphdrt;unsignedchar*s;//清空內存，防止有亂碼memset(&t,0,4);//用指針指向結構體變量ts=(unsignedchar*)//通過數組訪問的方式修改內存的值，因為hexdump解析的值是0x8183,//所以0x81必為最低字節的內存的數據s[0]=0x81;s[1]=0x83;//列印出位域成員的值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：1paylod：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賦值後，各位域對應的二進位：

fin：1rsv：0opcode：1000mask：1paylod：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。

有些信息在存儲時，並不需要佔用一個完整的字節， 而只需佔幾個或一個二進位位。

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，並使處理簡便，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，並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位位域來表示。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：

structiphdr{unsignedcharfin:1;unsignedcharrsv:3;unsignedcharopcode:4;unsignedcharmask:1;unsignedcharpayload:7;unsignedchara;unsignedcharb;};

位域變量的說明與結構變量說明的方式相同。可採用先定義後說明，同時定義說明或者直接說明這三種方式。例如：

structbs{inta:8;intb:2;intc:6;}data;

說明data為bs變量，共佔兩個字節。其中位域a佔8位，位域b佔2位，位域c佔6位。對於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：

structbs{unsigneda:4unsigned:0/空域/unsignedb:4/從下一單元開始存放/unsignedc:4}；

在這個位域定義中，a佔第一字節的4位，後4位填0表示不使用，b從第二字節開始，佔用4位，c佔用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：

structk{inta:1int:2/該2位不能使用/intb:3intc: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，也就是說後面加上「：1」的意思是這個成員的大小佔所定義類型的1 bit，「：2」佔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(二進位位)。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位元組，共16bit，最大就不能超過16，int是4位元組，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佔了4bit，fc_type佔2bit,fc_protocol_version佔2bit，共8bit，正好是一個字節。

其他八個成員,各佔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。

計算機硬體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，低位字節在後，這是人類讀寫數值的方法。小端字節序：低位字節在前，高位字節在後。

0x1234567的大端字節序和小端字節序的寫法如下圖。

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，不知道什麼是高位字節，什麼是低位字節。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，後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。然後，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。

仍然用上面的例子，但是做如下修改

#includestructiphdr{unsignedcharfin:1;unsignedcharrsv:3;unsignedcharopcode:4;unsignedcharmask:1;unsignedcharpayload:7;};main{structiphdrt;unsignedshort*s;memset(&t,0,2);s=(unsignedchar*)//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：1rsv：1opcode：8mask：1paylod：64

由結果可知，收到的0x8183這個值與對應的的二進位關係:

fin：1rsv：001opcode：1000mask：1paylod：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。

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。

#includestructiphdr{unsignedcharfin:1;unsignedcharopcode:4;unsignedchara;unsignedcharb;};main{structiphdrt;unsignedchar*s;memset(&t,0,2);s=(unsignedshort*)t.fin=1;t.opcode=0xf;printf("%x\n",s[0]);}

fin：1opcode：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：0opcode：1111

內存中形式如下：

大家遇到類似問題的時候，一定要寫一些實例去驗證，對於初學者來說，建議多參考上述實例。