位段和大小端

1、位段

面试中兴的时候，被问到了位段的内容，当时对位段毫不了解，今天就来个总结吧。

首先，位段是结构体为了节省内存的一种定义方式，在计算机网络中应用比较多，以下举例说明。

比如，我们现在有三个整形变量，变量的范围分别为0~15，0~10，0~254，我们知道 unssingned char表示的数字范围为0~254，所以，我们可以用三个unsigned char类型的成员来保存这三个变量，定义如下：

struct S {

    unsigned char val1;

    unsigned char val2;

    unsigned char val3 ;

};

我们可以计算出上述结构体的内存占用大小为3字节，共24位，我们知道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，诞生了位段，上述结构体的代码我们可以定义如下，并输出其内存大小：

#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;
}

上述代码运行结果为：

通过位段的定义，结构体的大小由原先的3字节节省到2字节，通过赋值验证，上述定义完全可以实现变量的需求。在计算机网络中，TCP的报文封装应用到了位段。

位段是将一变量类型，通常为char， int，  unsigned int ， insigned char 类型分成多位来操作，如unsigned int 类型可以分成32位，但是，C语言没有规定32位从左往右取，还是从右往左取，所以使用位段需要注意移植问题，位段使用尽量不要跨平台。

2、大小端问题

提到位，还有一个比较重要的考察知识点就是大小端问题，大端存储：就是低字节内容存放在高地址处，高字节内容存放在低地址处。也就是低对高，高对低。小端模式则刚好相反。

如：int val = 0x11223344;

如果为小端存储模式，内存中的字节存储方式为 44 33 22 11（从左到右地址由低到高）如果为大端存储模式，内存中的存储方式为11 22 33 44。通常，X86架构为小端存储模式，网络中的通常使用大端模式，所以在Linux系统中，网络编程处理数据需要大小端转换，Linux内核也集成了大小端转换函数ntohl()和htonl(）。下面通过一个实例来说明大小端存储模式：

#include <stdio.h>

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

代码运行结果为：

上述代码说明我的编译器为小端存储，对于整形数的4字节存储方式为44 33 22 11 ，低地址存储0x44，所以，将valu1赋值给val2的char类型只取了低字节，答案为0x44，通常也可以使用这种方式来判断当前机器为大端存储，或者小端存储，以下给出完整验证代码：

#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;
}

当然也可以通过公用体来进行验证，下面代码说明：

#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;
}

代码运行结果：

 3、位运算优先级

因为平常写代码的时候，涉及到优先级问题的时候，通常都可以用括号解决，当时面试的时候忽然被问起，搞的很懵，所以特别强调以下，位运算的优先级：~  > & > ^ > | ，也就是非的运算级大于与大于异或大于或。逻辑运算符的优先级顺序也是如此，即：！> && > ||

 我们通过位运算来实现大小端的转换：

#include <stdio.h>

int main() {
    int val = 0x11223344;//小端存储模式，从低到高地址，内存中单字节内存中存放的内容为44 33 22 11 
    int convertVal = 0;   
    convertVal = ((val & 0xff) << 24)  //取低8位，左移16位，按位&的优先级低于左移运算符的优先级，所以一定要加括号
                   | ((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;
        
}

代码运行结果为：