大端模式和小端模式

来源

我觉得这个故事还是挺有意思的

关于大端小端名词的由来，有一个有趣的故事，来自于Jonathan Swift的《格利佛游记》：Lilliput和Blefuscu这两个强国在过去的36个月中一直在苦战。战争的原因：大家都知道，吃鸡蛋的时候，原始的方法是打破鸡蛋较大的一端，可以那时的皇帝的祖父由于小时侯吃鸡蛋，按这种方法把手指弄破了，因此他的父亲，就下令，命令所有的子民吃鸡蛋的时候，必须先打破鸡蛋较小的一端，违令者重罚。然后老百姓对此法令极为反感，期间发生了多次叛乱，其中一个皇帝因此送命，另一个丢了王位，产生叛乱的原因就是另一个国家Blefuscu的国王大臣煽动起来的，叛乱平息后，就逃到这个帝国避难。据估计，先后几次有11000余人情愿死也不肯去打破鸡蛋较小的端吃鸡蛋。这个其实讽刺当时英国和法国之间持续的冲突。Danny Cohen一位网络协议的开创者，第一次使用这两个术语指代字节顺序，后来就被大家广泛接受。

定义

• 大端Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

• 小端Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

一般操作系统都是小端，而通讯协议是大端的。

---

举例

数的储存

16bit宽的数0x1234在Little-endian模式（以及Big-endian模式）CPU内存中的存放方式（假设从地址0x4000开始存放）为：

内存地址	小端模式存放内容	大端模式存放内容
0x4000	0x34	0x12
0x4001	0x12	0x34

32bit宽的数0x12345678在Little-endian模式以及Big-endian模式）CPU内存中的存放方式（假设从地址0x4000开始存放）为：

内存地址	小端模式存放内容	大端模式存放内容
0x4000	0x78	0x12
0x4001	0x56	0x34
0x4002	0x34	0x56
0x4003	0x12	0x78

数组的存储

以unsigned int value = 0x12345678为例，分别看看在两种字节序下其存储情况，我们可以用unsigned char buf[4]来表示value：

Big-Endian: 低地址存放高位，如下：

高地址

---------------
buf[3] (0x78) -- 低位
buf[2] (0x56)
buf[1] (0x34)
buf[0] (0x12) -- 高位
---------------

低地址

Little-Endian: 低地址存放低位，如下：

高地址

---------------
buf[3] (0x12) -- 高位
buf[2] (0x34)
buf[1] (0x56)
buf[0] (0x78) -- 低位
--------------

低地址

---

可以看出，大端模式更加符合我们平时的阅读习惯

特点

• 大端模式 ：符号位的判定固定为第一个字节，容易判断正负。

• 小端模式 ：强制转换数据不需要调整字节内容，1、2、4字节的存储方式一样。

判断程序

• 可以编写一个小的测试程序来判断机器的字节序

#include <iostream>
using namespace std;

bool isBigEndian() {
    int a = 0x1234;
    char b = *(char *) &a;
    if (b == 0x12) {
        return true;
    }
    return false;
}

int main() {
    if (isBigEndian()) {
        cout << "is BigEndian" << endl;
    } else {
        cout << "is LittleEndian" << endl;
    }
    return 0;
}

---

结果：

• 联合体union的存放顺序是所有成员都从低地址开始存放，利用该特性可以轻松地获得了CPU对内存采用LittleEndian还是BigEndian模式读写：

#include <iostream>
using namespace std;

bool checkPattern() {
    union Unit {
        int a;
        char b;
    }unit;
    unit.a = 0x1234;
    if (unit.b == 0x12) {
        return true;
    }
    return false;
}

int main() {
    if (checkPattern()) {
        cout << "is BigEndian" << endl;
    } else {
        cout << "is LittleEndian" << endl;
    }
    return 0;
}

---

结果：

• python 版本的大小端判断

def check_sys():
    import struct
    val = 0x12345678
    pk = struct.pack('i', val)
    hex_pk = hex(ord(pk[0]))

    if hex_pk == '0x78':
        print 'little endian'
    elif hex_pk == '0x12':
        print 'big endian'

check_sys()

---

结果：

大端模式和小端模式转换

移位运算

//宏定义
//对于32位的数，大端转换为小端
#define BigtoLittle32(A)  ( (((uint32_t)(A) & 0xff000000) >> 24) | \  
                                       (( (uint32_t)(A) & 0x00ff0000) >> 8)   | \  
                                       (( (uint32_t)(A) & 0x0000ff00) << 8)   | \  
                                       (( (uint32_t)(A) & 0x000000ff) << 24))  

//函数形式
//对于32位的数，大端转换为小端
uint32_t reversebytes_uint32t(uint32_t value) {
    return (value & 0x000000ffu) << 24 | (value & 0x0000ff00u) << 8 | (value & 0x00ff0000u) >> 8 | (value & 0xff000000u) >> 24;
}

---

//对于64位的数，大端转换为小端
// 先将64位的低32位转成小端模式，再将64位的高32位转成小端模式  
// 再交换高32位和低32位的位置
uint64_t reversebytes_uint64t(uint64_t value) {
    uint32_t high_uint64 = uint64_t(reversebytes_uint32t(uint32_t (value))); //低32位转换为小端
    uint32_t low_uint64 = uint64_t(reversebytes_uint32t(uint32_t (value >> 32))); //高32位转换为小端

    return (high_uint64 << 32) + low_uint64;

}

---

依次处理每个字节

首先将输入的uint32_t的变量强制转换成字符类型数组，以便一个字节一个字节的处理。

//对32位的数依次处理
uint32_t changeEndian_uint32t(uint32_t value) {
    char* ptr = (char*)(&value);

    uint64_t base[4]; //设置基
    base[0] = 1;
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        base[i] = base[i - 1] * 256;
    }

    uint32_t res = 0;
    for (int i = 0; i < sizeof(value); ++i) {
        res += uint8_t(ptr[i]) * base[4 - i - 1];
    }

    return res;
}

---

理解大端小端

从软件的角度理解端模式

从软件的角度上，不同端模式的处理器进行数据传递时必须要考虑端模式的不同。如进行网络数据传递时，必须要考虑端模式的转换。在Socket接口编程中，以下几个函数用于大小端字节序的转换：
其中
n = network
s = short
l = long

#define ntohs(n)     //16位数据类型网络字节顺序到主机字节顺序的转换  
#define htons(n)     //16位数据类型主机字节顺序到网络字节顺序的转换  
#define ntohl(n)      //32位数据类型网络字节顺序到主机字节顺序的转换  
#define htonl(n)      //32位数据类型主机字节顺序到网络字节顺序的转换

---

其中互联网使用的网络字节顺序采用大端模式进行编址，而主机字节顺序根据处理器的不同而不同。

从系统的角度理解端模式

MSB和LSB

MSB: Most Significant Bit ——- 最高有效位
LSB: Least Significant Bit —— 最低有效位

处理器在硬件上由于端模式问题在设计中有所不同。从系统的角度上看，端模式问题对软件和硬件的设计带来了不同的影响，当一个处理器系统中大小端模式同时存在时，必须要对这些不同端模式的访问进行特殊的处理。

运用实例

在MODBUS中，数据需要组织成数据报文，该报文中的数据都是大端模式，即低地址存高位，高地址存低位。假设有一16位缓冲区m_RegMW[256]，因为是在x86平台上，所以内存中的数据为小端模式：m_RegMW[0].low、m_RegMW[0].high、m_RegMW[1].low、m_RegMW[1].high……
为了方便讨论，假设m_RegMW[0] = 0x3456; 在内存中为0x56、0x34。

现要将该数据发出，如果不进行数据转换直接发送，此时发送的数据为0x56,0x34。而Modbus是大端的，会将该数据解释为0x5634而非原数据0x3456，此时就会发生灾难性的错误。所以，在此之前，需要将小端数据转换成大端的，即进行高字节和低字节的交换，此时可以调用函数BigtoLittle16(m_RegMW[0])，之后再进行发送才可以得到正确的数据。

参考

详解Big-Endian和Little-Endian，大端模式和小端模式