大小端转换定义结构体的技巧

这两年一直在写协议分析和报文填充相关内容。因为PC机是小端(Little Endian)，网络序是大端(Big Endian)，在写代码的时候必须考虑到大小端转换的问题，否则网卡或者网络设备会解析错误。网上的总结分析甚少，大部分都还处于纠结于大小尾分辨的层次。今天我就来深度分析一下大小尾问题。

首先，不管是哪一种数据存放方式，对于一个单字节的数据，存储方式都是一样的。比如uint8_t类，char类在大端和小端都可以不经过转换直接读取。

而对于两字节及以上字节大小的数据，大小端的存储方式就有区别了。大端（网络序）的存储方式与我们的阅读逻辑是相同的。大端的存储方式是高位保存在低地址中，小端（常见的PC机）的存储方式则是高位存高地址。

举个例子就明白了，比如有个数字0x12345678，存储到内存至少需要4字节，按照大端的存储方式，则是0x12 0x34 0x56 0x78，与我们的阅读逻辑一致；而小端的存储方式则是0x78 0x56 0x34 0x12。记住大端存储方式（网络序）与我们的阅读逻辑相同就可以了。

那么根据上面的分析，我们就会发现，大小端基于内存的颠倒是以字节为单位的，不是以每一位为单位的，这一点在具体的代码实现中尤其重要。

假定我们有一个uint16_t类型的数据，在小端机器上面处理（现在的pc机基本都是小端机）需要转换成大端怎么转换呢？前一字节与后一字节位置换。

假定我们有一个uint32_t类型的数据，在小端机器上面处理（现在的pc机基本都是小端机）需要转换成大端怎么转换呢？前一字节与后一字节置换，中间两个字节也互相置换。

那么，再进一步，如果有一个结构体，大小32位（4字节），定义如下：

struct test_u32{

uint8_t a;

uint8_t b;

uint8_t c;

uint8_t d;

};

在大小端转换时，自然是a和d互换，b和c互换。因此，完全可以在小端定义结构体时，就定义成如下结构：

struct test_u32{

uint8_t d;

uint8_t c;

uint8_t b;

uint8_t a;

};

这样在进行网络通信时就能省去了大小端转换这个步骤，在大小端转换较多的情况下，通过改变结构体定义的方式尽可能省去大小端转换的步骤，对于数据分析和网络传输的速率提升是明显的。

那么接下来再考虑一下情况，如果上述结构体在大端机定义如下：

struct test_u32_2{

uint8_t a;

uint16_t b;

uint8_t c;

};

如果只是在小端机定义成如下形式，会有什么影响吗？

struct test_u32_2{

uint8_t c;

uint16_t b;

uint8_t a;

};

明显的，a和c由于他们的定义不大于1字节，因此a和c的数据不会有错。而由于b大于1字节了，所以仍然需要进行大小端转换。这里就是一个陷阱。

另外在实际的网络私有协议定义中，不可能所有的数据都是基于8位（1字节）对齐，有些数据可能只占1位，有些数据可能占35位，遇到这种情况该如何处理呢？

首先，如果是如下情况，n个变量瓜分一个字节：

struct test_u8{

uint8_t a:1;

uint8_t b:3;

uint8_t c:4;

};

此时变量a占1位，变量b占3位，变量c占4位，他们共享一个字节。一个字节是8位，在内存中的存储方式是“abbbcccc”（每个字符代表该位存储着哪个变量的数据）

对于这种情况，可以直接在小端定义中进行置换：

struct test_u8{

uint8_t c:4;

uint8_t b:3;

uint8_t a:1;

};

在小端如此定义，内存中的数据存储方式依然是abbbcccc。

那么再讨论一个问题，如果在网络序机器中定义如下结构体，小端中也可以如上一例子直接置换吗？

struct test_u16{

uint16_t a:3;

uint16_t b:1;

uint16_t c:12;

};

这个时候我会想当然的认为可以置换成如下形式，但是打印结果告诉我出错了。

struct test_u16{

uint16_t c:12;

uint16_t b:1;

uint16_t a:3;

};

比如我在置换后的结构体中，令a=1，然后按照uint16_t类型输出该结构体数据，按照预想情况应该是0x2000，但是实际打印数据是0x0100。根据打印结果推原因，出错理由如下。

1.在大端中，数据保存方式应当如下：aaabcccc cccccccc。那么如果a=1,b=0,c=0,数据当是0010000 00000000，也就是0x2000。但是现在存储内容成了00000001 00000000，变成了0x0100，那么此时在内存中，数据保存形式为xxxxxaaa xxxxxxxx (x表示未知是b还是c的存储位)，经过测试，如此错误定义结构体，使得本来的数据存储方式变为了ccccbaaa cccccccc 。为什么？这个需要自己画图想一下，注意大小端的转换是以字节为单位转换而不是以位为单位转换的。

因此需要修改定义为：

struct test_u16{

uint8_t c_1:4;

uint8_t b:1;

uint8_t a:3;

uint8_t c_2;

};

这时令a=1,b=0,c_1=0,c_2=0，结构体安装uint16_t输出便是0x2000。

结论：在大小端处理时遇到不是整自己的变量，定义结构体以uint8_t为单位定义，对于超过一字节又不足两字节的变量，要拆成两部分处理。

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