对于比特序的理解

原文名称：【假设】关于位序的一点说明

原文地址：http://www.paulchan.tk/?p=435

【高位低位高地址低地址高字节低字节】
一个字节（octet）的数据有8个位，可以表示2^8=256种不同的值。比如我们要表示一个字母'a'，ASCII码值为97，十六进制表示为0x61，那么二进制表示为01100001b，那么左边的位为（数据）高位，右边的就是（数据）低位。

一个字节的存储空间也有8个位，也有高低位之分，习惯的，我们表示一个字节的存储空间时，规定左边的为（存储）低位，右边的是（存储）高位。

内存可以存储很多个字节，计算机是如何访问到特定的字节的呢？我们都知道，计算机通过内存地址去定位内存里数据，每一个字节的存储空间都有自己的一个地址。内存地址在32位机器上用一个32位的无符号整数表示，表示范围是0x00000000-0xffffffff（当然，主存不一定有这么多），这里0x00000000是最低地址，0xffffffff是最高地址。

一个多字节的数据，有高字节部分，和低字节部分之分。比如一个32位的整数0x12345678，要用4个字节才能表示。那么0x12就是数据的最高字节，0x78就是数据的最低字节。

【字节序】
计算机如何表示信息？在不同的系统，所用方法是有差异的。比如，我们要保存一个32位的整数0x12345678，总过需要4个字节，那么怎么安排这4个字节呢？可以这样考虑：把0x12345678分成四部分，0x12，0x34，0x56，0x78，分别放入4个字节，有多少种方法？根据全排列，可知答案是，4!=24种。当然，计算机世界没有这么蛋疼（没有像这样的方法：先放0x56，然后0x34，然后0x78，最后0x12)。世界上只有两种系统，一种是大端系统，另一种是小端系统。大端系统把数据的高位部分保存在低地址的字节中，以上面0x12345678为例，把0x12存在第一个字节，0x34存在第二个字节，以此类推。小端系统刚好相反，把数据的低位部分保存在低地址的内存中，同样以上面0x12345678为例，把0x78放在第一个字节，把0x56放在第二个字节，一次类推。眼尖的读者可能已经注到这种差异带来的问题：如果一个大端系统发一个数字0x12345678给一个小端系统，小端系统也确实收到了这个数据，但是在它看来，收到的是0x78563412，因为它用一套不同的方法解释这个数据！因此，在网络编程中，必须要小心对待字节序问题。所以在发二进制数据之前，我们先统一把字节序转换成网络字节序（大端）；同样的，接收数据之后，也把收到的网络字节序数据先转换成本系统所用的字节序，然后再去使用这个数据。站在巨人的肩膀上，我们有hton和ntoh系列函数可用，不足为虑。

【字节位序】
字节间的顺序问题是需要注意的，那么一个字节的位之间呢？答案是肯定的，不信你看看TCP协议头的C语言定义，像URG，ACK，PSH，RST,SYS,FIN这些标志位在在不同字节序系统上的定义顺序是刚好相反的。大端系统里面，数据的高位存在字节低位；小端系统刚好相反。那么，我们在平时网络编程，发送一个字母'a'，ASCII码值为0x61，为什么我们在发送数据是不用先转换位序？而且，hton和ntoh系列函数也没有针对一个字节的版本。下面的解释出于假设，还没有找到相关资料证实。

比如，我们发送一个字母'a'，根据ASCII码值0x61，我们要发送的二进制数据是01100001b。根据网络协议RFC（RFC791APPENDIX B: Data Transmission Order）的规定，报文从左到右逐位发送，而且一个字节左边的位是高位（大端）。那么字母'a'，用报文表示如下：

 0 1 2 3 4 5 6 7 
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0 1 1 0 0 0 0 1|
+-+-+-+-+-+-+-+-+
【A】

在大端系统中，字母'a'的表示如下（从0为最低位，7为最高位）：

 0 1 2 3 4 5 6 7 
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0 1 1 0 0 0 0 1|
+-+-+-+-+-+-+-+-+
【B】

小端系统刚好相反（同样的，0为最低位，7为最高位）：

 0 1 2 3 4 5 6 7 
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|1 0 0 0 0 1 1 0|
+-+-+-+-+-+-+-+-+
【C】

我们在发送以字节为单位的数据时，为什么不用进行转换呢？原因可能在于，所有发送的数据都要进行转换，所以放在网卡驱动或者其他相对比较底层的模块统一做转化，这样可以做到对高层透明，降低高层软件的复杂度。比如一个小端系统接受到一个报文【A】，网卡把这个报文拷贝到内存前先把它转化成【C】，当系统处理报文时，根据小端位序，所看到的也就是字母'a'了。因此，我们在发送前不用转换位序，接收后也不用转换位序，底层（猜测是网卡驱动）已经为我们做好这个转换了。

那么，回到另一个问题，为什么TCP协议头在定义上面提到的标志位时需要考虑顺序？原因可能在于，编译器在定义位域时，先定义的域放在字节低位，而后定义的域放在字节高位。比如，我们定义一个一个字节长的报文，包含两个域，每一个域刚好4个位，名字分别是a，b：

 0 1 2 3 4 5 6 7 
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|   a   |   b   |
+-+-+-+-+-+-+-+-+
【D】

如果我们收到一个报文A，那么，对应的a应该等于0110b，也就是0x6；b应该等于0001b，也就是0x1。

如果我们没有针对不同系统定义不用的结构体，而统一用下面的结构题来处理报文：

 
   view plain 
   copy to clipboard 
   print 
   ? 
  
 struct packet  
 {  
     uint8_t a:4, b:4;  
 };  

如果收到报文【A】，在大端系统上，报文在内存表示为【B】，那么，位域a对应【B】中的低4位，也就是0-3位，为0110b，也就是0x6，结果正确；在小端系统上，报文在内存中表示为【C】，那么，位域对应【C】中的低4位，也就是0-3位，为1000b，也就是0x1，结果错误。可以看到，不同系统的解释结果是不同的。因此，有必要为不同系统定义不同的结构体来处理报文，小端系统上域的定义顺序应该和大端位序（网络位序）刚好相反。针对报文【D】，我们可以为小端系统定义报文结构体如下：

    uint8_t b:4, a:4;   域内的位序不用管了吗？Yes！不同系统各自以自己的方式去处理这个位域，在发送数据前，后者接收数据后，底层（网卡驱动）统一进行逐字节位序转换。
 最后的一个问题是，如果我们收到一个报文【A】，存在字节变量packet里面，那么，不论对于何种系统，packet & 0x0f 取到的都是数据低4位，也就是域b。为什么会这样一致呢？原因在于，在程序员看来，我存的数据是报文【A】，我不在乎系统内部是怎么表示，【B】或者【C】，我只需要编译器保证，packet & ox0f取到的是数据的低4位就好了。因此，编译器实现的位操作是针对数据的，而不是针对存储的，换句话说是存储无关的。针对数据相同的位操作，到了底层，编译器转化成针对存储的操作，在不同系统，是有区别的（刚好相反），但是这种区别对程序员是不可见的。
 举个例子，我们把01100001b这个值存在字节变量packet里面，packet >>= 1的结果应该是0x30。
 在大端系统，packet的在存储中表示为【B】，数据向右（数据低位）移1位，那么在存储中，必须让【B】向存储高位移1位，结果就是下面的【E】，在大端系统中，【E】就是0x30。
 0 1 2 3 4 5 6 7 
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0 0 1 1 0 0 0 0|
+-+-+-+-+-+-+-+-+
【E】
 在小端系统中，apcket在存储中表示为【C】，数据向右（数据低位）移1位，那么在存储中，必须让【C】向存储低位移1位，结果就是下面的【F】， 在小端系统中，【F】就是0x30。
 0 1 2 3 4 5 6 7 
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0 0 0 0 1 1 0 0|
+-+-+-+-+-+-+-+-+
【F】
 当然，程序员对存储移位操作的差异是不可见的，也不需要可见，要不然，还让不让人活！
 上述是个人的一点猜测，有待考证！

上一篇：C语言中的位域、字节序、比特序、大下一篇：小甲鱼PE详解之区块表节表和区块节

对于比特序的理解

相关推荐