大小端与字节序转换

2023-05-16

大端小端

不同机器内部对变量的字节存储顺序不同,有的采用大端模式(big-endian),有的采用小端模式(little-endian)。
大端模式是指高字节数据存放在低地址处,低字节数据放在高地址处。
小端模式是指低字节数据存放在低地址处,高字节数据放在高地址处。

举例来说,数值0x2211使用两个字节储存:高位字节是0x22,低位字节是0x11。

大端字节序:高位字节在前,低位字节在后,这是人类读写数值的方法。
小端字节序:低位字节在前,高位字节在后,即以0x1122形式储存。
在这里插入图片描述
0x1234567的大端字节序和小端字节序的写法如下图
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小端好处:

计算机电路先处理低位字节,效率比较高,因为计算都是从低位开始的。所以,计算机的内部处理都是小端字节序。
常用的X86结构是小端模式,而KEIL
C51则为大端模式。很多的ARM,DSP都为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式
但是,人类还是习惯读写大端字节序。所以,除了计算机的内部处理,其他的场合几乎都是大端字节序,比如网络传输和文件储存。

应用场景:

在网络上传输数据时,由于数据传输的两端可能对应不同的硬件平台,采用的存储字节顺序也可能不一致,因此 TCP/IP
协议规定了在网络上必须采用网络字节顺序(也就是大端模式) 。

网络字节顺序NBO(Network Byte Order):
按从高到低的顺序存储,在网络上使用统一的网络字节顺序,可以避免兼容性问题。

主机字节顺序(HBO,Host Byte Order):
不同的机器HBO不相同,与CPU设计有关,数据的顺序是由cpu决定的,而与操作系统无关。

如 Intelx86结构下,short型数0x1234表示为34 12, int型数0x12345678表示为78 56 34 12如IBM power PC结构下,short型数0x1234表示为12 34, int型数0x12345678表示为12 34 56 78
通过对大小端的存储原理分析可发现,对于 char 型数据,由于其只占一个字节,所以不存在这个问题,这也是一般情况下把数据缓冲区定义成 char 类型 的原因之一。对于 IP 地址、端口号等非 char 型数据,必须在数据发送到网络上之前将其转换成大端模式,在接收到数据之后再将其转换成符合接收端主机的存储模式。

Linux 系统为大小端模式的转换提供了 4 个函数,输入 man byteorder 命令可得函数原型:

windows下包含<winsock2.h>

#include <arpa/inet.h> 
 
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); 
 
uint16_t htons(uint16_t hostshort); 
 
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); 
 
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); 

htonl 表示 host to network long ,用于将主机 unsigned int 型数据转换成网络字节顺序;
htons 表示 host to network short ,用于将主机 unsigned short 型数据转换成网络字节顺序;
ntohl、ntohs 的功能分别与 htonl、htons 相反。
手动定义整数字节序的转换
整个过程从该值的MSB和LSB开始交换,直到交换至该值的中间点,唯一的难点在于,由于不能简单的把对象(结构型数据)转换为字节数组去用单一的通用函数转换字节,所以需要知道哪些字节序需要转换,例如 把内存中的struc或class写入文件时,要正确的转换字节序,便需要知道其中每个数据成员的位置及大小,并基于每个成员的大小逐一进行适当的转换

//对应int32大小的成员 的转换 范例 
int32_t swapInt32(int32_t value)
{
     return ((value & 0x000000FF) << 24) |
               ((value & 0x0000FF00) << 8) |
               ((value & 0x00FF0000) >> 8) |
               ((value & 0xFF000000) >> 24) ;
}

浮点数的内部结构相对比较复杂,但仍然可以把浮点数当作整数转换字节序,因为字节始终是字节,可以使用c++的reinterpret_cast操作把浮点数诠释为整数,这称为类型双关(type_punning),或者使用一个简便的方法是 使用union

union intWithFloat
{
     int32_t m_i32;
     float m_f32;
}
 
float swapFloat32(float value)
{
     intWithFloat i;
     i.m_i32 = value;
     i.m_f32 = swapInt32(i.m_i32)
     return i.m_f32;
} 
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