位段和大小端

1、位段

面試中興的時候，被問到了位段的內容，當時對位段毫不了解，今天就來個總結吧。

首先，位段是結構體為了節省內存的一種定義方式，在計算機網絡中應用比較多，以下舉例說明。

比如，我們現在有三個整形變量，變量的范圍分別為0~15，0~10，0~254，我們知道 unssingned char表示的數字范圍為0~254，所以，我們可以用三個unsigned char類型的成員來保存這三個變量，定義如下：

struct S {

    unsigned char val1;

    unsigned char val2;

    unsigned char val3 ;

};

我們可以計算出上述結構體的內存占用大小為3字節，共24位，我們知道15只需要4位就可以表示，10也只需要4位就可以表示，所以，誕生了位段，上述結構體的代碼我們可以定義如下，並輸出其內存大小：

#include <stdio.h>

struct S {
    unsigned char val1 : 4;
    unsigned char val2 : 4;
    unsigned char val3 ;
};

int main()
{
    struct S s;
    s.val1 = 15;
    s.val2 = 10;
    s.val3 = 127;
    printf("sizeof(struct S) = %d \n", sizeof(struct S));
    printf("s.val1 = %d \n", s.val1);
    printf("s.val2 = %d \n", s.val2);
    printf("s.val3 = %d \n", s.val3);
    return 0;
}

上述代碼運行結果為：

通過位段的定義，結構體的大小由原先的3字節節省到2字節，通過賦值驗證，上述定義完全可以實現變量的需求。在計算機網絡中，TCP的報文封裝應用到了位段。

位段是將一變量類型，通常為char， int，  unsigned int ， insigned char 類型分成多位來操作，如unsigned int 類型可以分成32位，但是，C語言沒有規定32位從左往右取，還是從右往左取，所以使用位段需要注意移植問題，位段使用盡量不要跨平台。

2、大小端問題

提到位，還有一個比較重要的考察知識點就是大小端問題，大端存儲：就是低字節內容存放在高地址處，高字節內容存放在低地址處。也就是低對高，高對低。小端模式則剛好相反。

如：int val = 0x11223344;

如果為小端存儲模式，內存中的字節存儲方式為 44 33 22 11（從左到右地址由低到高）如果為大端存儲模式，內存中的存儲方式為11 22 33 44。通常，X86架構為小端存儲模式，網絡中的通常使用大端模式，所以在Linux系統中，網絡編程處理數據需要大小端轉換，Linux內核也集成了大小端轉換函數ntohl()和htonl(）。下面通過一個實例來說明大小端存儲模式：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int val1 = 0x11223344;
    char val2 = (char)val1;
    printf("%x\n", val2);
    
    return 0;
}

代碼運行結果為：

上述代碼說明我的編譯器為小端存儲，對於整形數的4字節存儲方式為44 33 22 11 ，低地址存儲0x44，所以，將valu1賦值給val2的char類型只取了低字節，答案為0x44，通常也可以使用這種方式來判斷當前機器為大端存儲，或者小端存儲，以下給出完整驗證代碼：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int val1 = 1;
    if (1 == *(char*)(&val1)) {
        printf("小端模式\n");
    } 
    if (0 == *(char*)(&val1)) {
        printf("大端模式\n");
    }
    
    return 0;
}

當然也可以通過公用體來進行驗證，下面代碼說明：

#include <stdio.h>

union UN{
    int val1;
    char ch;
};
int main()
{
    union UN un;
    un.val1 = 1;
    if (1 == un.ch) {
        printf("小端模式\n");
    } else if (0 == un.ch) {
        printf("大端模式\n");
    }
    return 0;
}

代碼運行結果：

 3、位運算優先級

因為平常寫代碼的時候，涉及到優先級問題的時候，通常都可以用括號解決，當時面試的時候忽然被問起，搞的很懵，所以特別強調以下，位運算的優先級：~  > & > ^ > | ，也就是非的運算級大於與大於異或大於或。邏輯運算符的優先級順序也是如此，即：！> && > ||

 我們通過位運算來實現大小端的轉換：

#include <stdio.h>

int main() {
    int val = 0x11223344;//小端存儲模式，從低到高地址，內存中單字節內存中存放的內容為44 33 22 11 
    int convertVal = 0;   
    convertVal = ((val & 0xff) << 24)  //取低8位，左移16位，按位&的優先級低於左移運算符的優先級，所以一定要加括號
                   | ((val & 0xff00) << 8) //取次低8位，左移8位
                   | ((val & 0xff0000) >> 8) //取次高8位，右移8位
                   | ((val & 0xff000000) >> 24);//取高8位，右移16位
    
    printf("convertVal = 0x%x",convertVal);
    return 0;
        
}

代碼運行結果為：