网络编程中的字节序，大端与小端详解

网络

大端（ Big endian ）和 小端（ Little Endian ）是计算机存储 多字节 数据的两种不同方式。

定义

在 大端 系统，多字节数据类型 起始字节先存储 ；相反，在 小端 系统，多字节数据类型 末尾字节先存储 。

假设有一个 4 字节长整数变量 y ，值为 0x01234567 (十六进制表示法) 。在 大端 系统上，该变量保存为以下 4 个字节： 0x01 、 0x23 、 0x45 、以及 0x67 ；在 小端 系统上，存储顺序刚好相反：

辅助记忆

记忆大端小端定义很容易搞混，通过以下图形可以更好地记住，非常形象：

内存表现形式

如果需要查看多字节数据类型在 内存 中的表现形式， 可以遍历数据每个字节，以 十六进制 将字节打印出来。下面是一份示例代码：

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#include <stdio.h>

void show_mem_rep(unsigned char* start, int n)
{
    // show bytes one by one from start to start+n
    int i;
    for (i=0; i<n; i++) {
        printf(" %.2x", start[i]);
    }
    printf("\n");
}

int main()
{
    int i = 0x01234567;
    show_mem_rep((unsigned char*)&i, sizeof(i));
    return 0;
}

字节序判断

如果无法人为确定当前系统字节序是大端还是小端，可以编写一个简单程序进行判断：

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#include <stdio.h>

int main()
{
    int value = 1;
    if (((char*)&value)[0]) {
        printf("Little endian\n");
    }
    else {
        printf("Big endian\n");
    }

    return value;
}

原理很好理解，定义一个整数，值为 1 ，然后判断其 第一个字节 的值。

网络字节序

不同字节序系统进行网络通信，不加以注意是要乱套的。

为了解决这个问题，约定进行网络通信时统一采用 大端 字节序。 因此， 大端 字节序也称为 网络字节序 。

封装网络报文时，需要在 主机字节序 和 网络字节序 之间转换。 C 库提供了转换函数(宏)：

  • htons ，将 短整数 (两字节)从 主机字节序 转成 网络字节序 ；
  • htonl ，将 长整数 (四字节)从 主机字节序 转成 网络字节序 ；
  • ntohs ，将 短整数 (两字节)从 网络字节序 转成 网络字节序 ；
  • ntohl ，将 长整数 (四字节)从 网络字节序 转成 网络字节序 ；

举个例子，在填充地址结构体端口字段时，需要通过 htons 进行转换：

addr.sin_port = htons(80)

转换函数有 4 个之多，借助下表可以更好地记忆：

字母 “含义”
h 主机字节序
n 网络字节序
s 短整数(两字节)
l 长整数(四字节)

优缺点

这两种表示方式各有优缺点：

对于 小端 字节序，取不同长度整数的 汇编指令 处理方式相同：都是从第 0 字节开始。此外，由于地址 偏移量 与 字节 的关系一一对应， 多精度 数学例程很容易实现。

对于 大端 字节序，由于高位字节先存储，判断数字 正负 只需检查 第一个字节 (偏移量为 0 )。因此，无需跳过一些字节以定位包含 符号 的字节，也无需知晓 变量长度 。

【小菜学网络】系列文章首发于公众号【小菜学编程】，敬请关注：

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fasionchan 2019-01-21