大小端,你应该知道的，这篇文章讲全了

1. 引言

在计算机中，大小端描述了多字节数据在内存中的存储顺序。理解和正确处理大小端问题是编写健壮跨平台程序的关键。本文将全面介绍大小端的基本概念、判断方法、应用场景及注意事项，结合全样本数据分析哪些数据受大小端影响并给出处理方法。

2. 基本概念

计算机内存按字节划分为连续的线性地址空间。当存储多字节数据时，不同的存储顺序形成两种主要模式：

• 大端（Big-Endian）：高字节存储在低地址，低字节存储在高地址。
• 小端（Little-Endian）：低字节存储在低地址，高字节存储在高地址。

注意

• 大小端主要取决于计算机的硬件架构，与操作系统的具体实现关联较少。
• 当且仅当存储多字节数据时才需考虑大小端问题，例如 int、float、double、uint16_t 及其数组，甚至是 uint32_t 类型的数组。
• 普通单字节数据类型如 char 和 uint8_t 及其数组不需要考虑大小端问题。需要注意，宽字符（如 wchar_t）或多字节字符序列可能受大小端影响，应单独处理。

数据示例

#include <cstdint>
#include <iostream>
uint8_t u8 = 0x12; // 单字节数据
uint32_t u32 = 0x12345678; // 多字节数据
uint8_t array_u8[] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78}; // 单字节数组
uint32_t array_u32[] = {0x12345678, 0x9abcdef0}; // 多字节数组

• uint8_t u8：单字节数据，存储时不涉及字节序，不受大小端影响。
• uint32_t u32：多字节数据，其字节存储顺序在大小端中不同。受大小端影响。
  • 小端：78 56 34 12
  • 大端：12 34 56 78
• uint8_t array_u8[]：单字节数组，每个元素单独存储，不受字节序影响，不受大小端影响。
  • 内存表示在大小端均为：12 34 56 78。
• uint32_t array_u32[]：多字节数组，每个元素的字节顺序在大小端中不同。受大小端影响
  • 小端：78 56 34 12，f0 de bc 9a
  • 大端：12 34 56 78，9a bc de f0

3. 判断方法

不同平台的大小端顺序可能导致二进制文件和网络传输的解析错误。因此，跨平台存储/解析数据时需要依据本机的架构的大小端类型进行调整，为此需要判断本机的大小端类型。如下为判断方法：

3.1 借助联合体判断

通过联合体访问不同表示方式的多字节数据：

bool isLittleEndian() 
{
  union {
  uint32_t i;
  uint8_t c[4];
  } test = {0x01020304};
  return test.c[0] == 0x04;
}

3.2 借助标准库宏__BYTE_ORDER

利用系统头文件中的预定义宏：

#include <iostream>
#if defined(__linux__) || defined(__unix__) || defined(__APPLE__)
#include <endian.h>
#elif defined(_WIN32)
#include <winsock2.h>
#endif
bool isLittleEndian() 
{
#if defined(__BYTE_ORDER) && __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
  return true;
#elif defined(__BYTE_ORDER) && __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
  return false;
#else
  #error "Cannot determine endianness"
#endif
}

3.3 C++20标准库支持

C++20引入了std::endian用于判断系统字节序：

#include <bit>
bool isLittleEndian()
{
  return  (std::endian::native == std::endian::little);
}

4. 数据转换

已知数据存储的类型和计算机本身的大小端类型时，类型匹配时，无需转换；否则需要进行转换。转换方法如下：

uint32_t swapEndian(uint32_t value) 
{
return ((value >> 24) & 0xFF) |
  ((value >> 8) & 0xFF00) |
  ((value << 8) & 0xFF0000) |
  ((value << 24) & 0xFF000000);
}

注意

频繁进行大小端转换可能影响性能，尤其在资源受限的嵌入式设备上。

5. 总结

大小端是描述多字节数据存储顺序的重要概念，对跨平台数据传输、文件解析和网络通信有重要影响。单字节数据及数组不受大小端影响，可直接操作。多字节数据及数组受大小端影响，需特别处理。通过全面了解大小端特性及其影响，开发者可以更好地构建高效、可靠的跨平台程序。