Question

任何使用位域的可移植代码似乎都区分了小端和大端平台。有关此类代码的示例，请参阅declaration of struct iphdr in linux kernel。我无法理解为什么比特字节序是一个问题。

据我所知，bitfields纯粹是编译器构造，用于促进位级操作。

例如，请考虑以下位域：

struct ParsedInt {
    unsigned int f1:1;
    unsigned int f2:3;
    unsigned int f3:4;
};
uint8_t i;
struct ParsedInt *d = &i;

在这里，写d->f2只是一种简洁易懂的说法(i>>1) & (1<<4 - 1)。

但是，无论架构如何，位操作都是明确定义的并且可以正常工作。那么，位域如何不便携？

Answer 1

根据C标准，编译器可以以任何随机的方式自由地存储位字段。您永远不会对位分配的位置做出任何假设。以下是C标准未指定的一些与字段相关的事情：

未指明的行为

分配用于保存位字段（6.7.2.1）的可寻址存储单元的对齐。

实施定义的行为

位字段是否可以跨越存储单元边界（6.7.2.1）。
单位内的位域分配顺序（6.7.2.1）。

大/小端当然也是实现定义的。这意味着您的结构可以通过以下方式分配（假设16位整数）：

PADDING : 8
f1 : 1
f2 : 3
f3 : 4

or

PADDING : 8
f3 : 4
f2 : 3
f1 : 1

or

f1 : 1
f2 : 3
f3 : 4
PADDING : 8

or

f3 : 4
f2 : 3
f1 : 1
PADDING : 8

适用哪一个？猜测一下，或者阅读编译器的深入后端文档。添加大端或小端的32位整数的复杂性。然后添加一个事实，即允许编译器在位字段内的任何位置添加任意数量的填充字节，因为它被视为结构（它不能在结构的最开头添加填充），但在其他地方）。

然后我甚至没有提到如果你使用普通的“int”作为位字段类型=实现定义的行为，或者你使用除（unsigned）int =实现定义的行为之外的任何其他类型会发生什么。 / p>

所以回答这个问题，没有便携式位域代码这样的东西，因为C标准对于如何实现位字段非常模糊。可以信任的唯一比特字段是布尔值的块，程序员不关心内存中位的位置。

唯一可移植的解决方案是使用逐位运算符而不是位字段。生成的机器代码将完全相同，但具有确定性。对于任何系统，按位运算符在任何C编译器上都是100％可移植的。

Answer 2

据我了解，bitfields纯粹是编译器构造

这就是问题的一部分。如果位字段的使用仅限于编译器“拥有”的内容，那么编译器如何打包或排序它们对任何人来说都不是什么问题。

但是，位域可能更常用于模拟编译器域外部的构造 - 硬件寄存器，通信的“线”协议或文件格式布局。这些东西对如何布局位有严格的要求，并且使用位域来对它们进行建模意味着你必须依赖于实现定义的 - 更糟糕的是 - 编译器如何布局位域的未指定行为

简而言之，位字段的指定不足以使它们对它们最常用的情况有用。

Answer 3

ISO / IEC 9899： 6.7.2.1 / 10

实施可以分配任何可寻址的存储单元足够大举行一场比赛。如果有足够的空间仍然是一个立即的现场跟随另一个比特场结构应包装成相同单元的相邻位。如果没有足够的空间，无论是否放入不适合的比特字段下一个单位或相邻的重叠单位是实施定义的。的的比特字段的分配顺序在一个单位内（从高阶到低阶或者从低阶到高阶）实施德网络定义。对齐可寻址存储单元的 unspeci音响编

使用位移操作更安全，而不是在尝试编写可移植代码时对位字段排序或对齐做出任何假设，无论系统字节顺序或位数如何。

另见EXP11-C. Do not apply operators expecting one type to data of an incompatible type。

Answer 4

位字段访问是根据对底层类型的操作实现的。在示例中，unsigned int。所以如果你有类似的东西：

struct x {
    unsigned int a : 4;
    unsigned int b : 8;
    unsigned int c : 4;
};

当您访问字段b时，编译器访问整个unsigned int，然后移位并屏蔽相应的位范围。（好吧，它不是必须，但我们可以假装它。）

在big endian上，布局将是这样的（最重要的一点）：

AAAABBBB BBBBCCCC

在小端，布局将是这样的：

BBBBAAAA CCCCBBBB

如果你想从小端访问大端布局，反之亦然，你将不得不做一些额外的工作。这种可移植性的增加会降低性能，并且由于结构布局已经不可移植，因此语言实现者采用了更快的版本。

这做了很多假设。另请注意，大多数平台上都为sizeof(struct x) == 4。

Answer 5

根据机器的字节顺序，位字段将以不同的顺序存储，这在某些情况下可能无关紧要，但在其他情况下可能很重要。例如，您的ParsedInt结构表示通过网络发送的数据包中的标志，小端程序机器和大端机器以与发送字节不同的顺序读取这些标志，这显然是一个问题。

Answer 6

回应最突出的要点：如果您在单个编译器/ HW平台上使用它作为仅软件构造，那么字节顺序将不是问题。如果您在多个平台上使用代码或数据或需要匹配硬件位布局，那么 IS 就是一个问题。专业软件的很多是跨平台的，因此必须要关心。

这是最简单的例子：我有将二进制格式的数字存储到磁盘的代码。如果我没有明确地逐字节地写入和读取这些数据到磁盘，那么如果从相反的端系统读取它将不是相同的值。

具体例子：

int16_t s = 4096; // a signed 16-bit number...

让我们说我的程序附带了我想要读入的磁盘上的一些数据。假设我想在这种情况下将其加载为4096 ...

fread((void*)&s, 2, fp); // reading it from disk as binary...

这里我把它读作16位值，而不是显式字节。这意味着如果我的系统匹配存储在磁盘上的字节序，我得到4096，如果它没有，我得到16 !!!!!

因此，最常用的字节顺序是批量加载二进制数，然后如果你不匹配则执行bswap。在过去，我们将数据存储在磁盘上作为大端，因为英特尔是奇怪的人，并提供高速指令来交换字节。如今，英特尔非常普遍，在大端系统上经常使Little Endian成为默认值并进行交换。

较慢但以字节序结尾的中性方法是按字节进行所有I / O，即：

uint_8 ubyte;
int_8 sbyte;
int16_t s; // read s in endian neutral way

// Let's choose little endian as our chosen byte order:

fread((void*)&ubyte, 1, fp); // Only read 1 byte at a time
fread((void*)&sbyte, 1, fp); // Only read 1 byte at a time

// Reconstruct s

s = ubyte | (sByte << 8);

请注意，这与您编写的用于执行endian交换的代码相同，但您不再需要检查字节顺序。你可以使用宏来减少痛苦。

我使用了程序使用的存储数据的示例。提到的另一个主要应用是写硬件寄存器，其中这些寄存器具有绝对排序。这出现的一个非常常见的地方是图形。获得字节错误，您的红色和蓝色通道会被颠倒！同样，问题在于可移植性 - 您可以简单地适应给定的硬件平台和图形卡，但如果您希望相同的代码在不同的机器上运行，则必须进行测试。

这是一个经典测试：

typedef union { uint_16 s; uint_8 b[2]; } EndianTest_t;

EndianTest_t test = 4096;

if (test.b[0] == 12) printf("Big Endian Detected!\n");

请注意，也存在位域问题，但它与字节序问题正交。

Answer 7

只需指出-我们一直在讨论字节字节顺序的问题，而不是位域中的字节顺序或字节顺序，这会涉及另一个问题：

如果您正在编写跨平台代码，则永远不要只将结构作为二进制对象写出来。除了上述字节序问题外，编译器之间还可能存在各种打包和格式化问题。这些语言对编译器如何在实际内存中布置结构或位域没有任何限制，因此在保存到磁盘时，必须一次写入一个结构的每个数据成员，最好以字节中性的方式。

这种打包方式会影响位域中的“位字节顺序”，因为不同的编译器可能会将位域存储在不同的方向上，并且位字节顺序会影响如何提取它们。

因此请牢记问题的两个层次-字节字节序会影响计算机读取单个标量值（例如浮点数）的能力，而编译器（和生成参数）会影响程序读取聚合结构的能力。

我过去所做的是以中立的方式保存和加载文件，并存储有关数据在内存中的布局方式的元数据。这使我可以在兼容的情况下使用“快速简便”的二进制加载路径。

为什么bit endianness是bitfields中的一个问题？

7 个答案: