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

”，

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

”，

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

”，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。

原文標題：【問答21】C語言：位域和字節序

文章出處：【微信公眾號：FPGA之家】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq