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1. 粉絲問題

自己編寫的一個協(xié)議相關(guān)代碼，位域的值解析和自己想象的有出入。

問題

結(jié)構(gòu)體的頭：

解析代碼和測試結(jié)果：

就是說通過函數(shù)hexdump()解析出的內(nèi)存是十六進(jìn)制是 81 83 20 3B ......

從數(shù)據(jù)幀解析出的

opcode = 0x8 

該粉絲不明白為什么解析出的值是0x8。

這個問題其實就是位域的問題和字節(jié)序的問題。

測試代碼

廢話不多說，直接寫個測試代碼

#include <stdio.h> 
//簡化的結(jié)構(gòu)體 
struct iphdr { 
 unsigned char fin:1; 
 unsigned char rsv:3; 
 unsigned char opcode:4; 
 unsigned char mask:1;  
 unsigned char payload:7; 
 unsigned char a; 
 unsigned char b; 
}; 
main() 
{ 
 struct iphdr t; 
 unsigned char *s; 
  
 //清空內(nèi)存，防止有亂碼 
 memset(&t,0,4); 
 //用指針指向結(jié)構(gòu)體變量t 
 s = (unsigned char*)&t; 
 //通過數(shù)組訪問的方式修改內(nèi)存的值，因為hexdump解析的值是0x81 83, 
 //所以0x81必為最低字節(jié)的內(nèi)存的數(shù)據(jù) 
 s[0] = 0x81; 
 s[1] = 0x83; 
  
 //打印出位域成員的值 
 printf("fin:%d rsv：%d opcode：%d mask：%d paylod：%d \n", 
  t.fin,t.rsv,t.opcode,t.mask,t.payload);  
} 

執(zhí)行結(jié)果：

fin：1，rsv：0，opcode：8，mask：1 paylod：65 

分析：如下圖所示，紫色部分是位域成員對應(yīng)的內(nèi)存中的實際空間布局，地址從左到右增加 第一個字節(jié)的0x81賦值后，各位域?qū)?yīng)的二進(jìn)制：

fin：1 
rsv：0 
opcode：1000 
mask：1 
paylod：1000001 

如上圖多少，內(nèi)存的第1個字節(jié)是0x81,第2個字節(jié)是0x83;

第一個字節(jié)0x81的最低的bit[0]對應(yīng)fin，bit[3:1]對應(yīng)rsv，bit[7:4]對應(yīng)opcode;第二個字節(jié)0x83的最低bit[0]對應(yīng)mask，bit[7:1]對應(yīng)payload。

所以結(jié)果顯而易見。

2、什么是位域?

有些信息在存儲時，并不需要占用一個完整的字節(jié)， 而只需占幾個或一個二進(jìn)制位。

例如在存放一個開關(guān)量時，只有0和1 兩種狀態(tài)， 用一位二進(jìn)位即可。為了節(jié)省存儲空間，并使處理簡便，C語言又提供了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為“位域”或“位段”。

所謂“位域”是把一個字節(jié)中的二進(jìn)位劃分為幾個不同的區(qū)域，并說明每個區(qū)域的位數(shù)。

每個域有一個域名，允許在程序中按域名進(jìn)行操作。這樣就可以把幾個不同的對象用一個字節(jié)的二進(jìn)制位域來表示。一、位域的定義和位域變量的說明位域定義與結(jié)構(gòu)定義相仿，其形式為：

struct 位域結(jié)構(gòu)名 
{  
  位域列表 
}; 

其中位域列表的形式為：

類型說明符 位域名：位域長度 

如粉絲所舉的實例：

struct iphdr { 
 unsigned char fin:1; 
 unsigned char rsv:3; 
 unsigned char opcode:4; 
 unsigned char mask:1;  
 unsigned char payload:7; 
 unsigned char a; 
 unsigned char b; 
}; 

位域變量的說明與結(jié)構(gòu)變量說明的方式相同。可采用先定義后說明，同時定義說明或者直接說明這三種方式。例如：

struct bs 
{ 
 int a:8; 
 int b:2; 
 int c:6; 
}data; 

說明data為bs變量，共占兩個字節(jié)。其中位域a占8位，位域b占2位，位域c占6位。對于位域的定義尚有以下幾點說明：

一個位域必須存儲在同一個字節(jié)中，不能跨兩個字節(jié)。

如一個字節(jié)所?？臻g不夠存放另一位域時，應(yīng)從下一單元起存放該位域。也可以有意使某位域從下一單元開始。例如：

struct bs 
{ 
 unsigned a:4 
 unsigned :0 /空域/ 
 unsigned b:4 /從下一單元開始存放/ 
 unsigned c:4 
}； 

在這個位域定義中，a占第一字節(jié)的4位，后4位填0表示不使用，b從第二字節(jié)開始，占用4位，c占用4位。

位域可以無位域名，這時它只用來作填充或調(diào)整位置。無名的位域是不能使用的。例如：

struct k 
{ 
 int a:1 
 int :2 /該2位不能使用/ 
 int b:3 
 int c:2 
}; 

從以上分析可以看出，位域在本質(zhì)上就是一種結(jié)構(gòu)類型， 不過其成員是按二進(jìn)位分配的。

這是位域操作的表示方法，也就是說后面加上“：1”的意思是這個成員的大小占所定義類型的1 bit，“：2”占2 bit，依次類推。當(dāng)然大小不能超過所定義類型包含的總bit數(shù)。

一個bytes(字節(jié))是8個 bit(二進(jìn)制位)。例如你的結(jié)構(gòu)體中定義的類型是u_char，一個字節(jié)，共8個bit，最大就不能超過8。32位機下，short是2字節(jié)，共16bit，最大就不能超過16，int是4字節(jié)，共32bit，最大就不能超過32. 依次類推。

位域定義比較省空間。

例如你上面的結(jié)構(gòu)，定義的變量類型是u_char，是一字節(jié)類型，即8bit。

fc_subtype占了4bit，fc_type占2bit,fc_protocol_version占2bit，共8bit，正好是一個字節(jié)。

其他八個成員,各占1bit，共8bit，正好也是一個字節(jié)。

因此你的結(jié)構(gòu)的大小如果用sizeof(struct frame_control)計算，就是2bytes。

3. 如何測試當(dāng)前是大端還是小端?

計算機硬件有兩種儲存數(shù)據(jù)的方式：大端字節(jié)序(big endian)和小端字節(jié)序(little endian)。大端字節(jié)序：高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后，這是人類讀寫數(shù)值的方法。小端字節(jié)序：低位字節(jié)在前，高位字節(jié)在后。

0x1234567的大端字節(jié)序和小端字節(jié)序的寫法如下圖。

為什么會有小端字節(jié)序?

答案是，計算機電路先處理低位字節(jié)，效率比較高，因為計算都是從低位開始的。所以，計算機的內(nèi)部處理都是小端字節(jié)序。

但是，人類還是習(xí)慣讀寫大端字節(jié)序。所以，除了計算機的內(nèi)部處理，其他的場合幾乎都是大端字節(jié)序，比如網(wǎng)絡(luò)傳輸和文件儲存。

計算機處理字節(jié)序的時候，不知道什么是高位字節(jié)，什么是低位字節(jié)。它只知道按順序讀取字節(jié)，先讀第一個字節(jié)，再讀第二個字節(jié)。

如果是大端字節(jié)序，先讀到的就是高位字節(jié)，后讀到的就是低位字節(jié)。小端字節(jié)序正好相反。

理解這一點，才能理解計算機如何處理字節(jié)序。

處理器讀取外部數(shù)據(jù)的時候，必須知道數(shù)據(jù)的字節(jié)序，將其轉(zhuǎn)成正確的值。然后，就正常使用這個值，完全不用再考慮字節(jié)序。

即使是向外部設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，也不用考慮字節(jié)序，正常寫入一個值即可。外部設(shè)備會自己處理字節(jié)序的問題。

實例

仍然用上面的例子，但是做如下修改

#include <stdio.h> 
 
struct iphdr { 
 
 unsigned char fin:1; 
 unsigned char rsv:3; 
 unsigned char opcode:4; 
 unsigned char mask:1;  
 unsigned char payload:7;    
}; 
main() 
{ 
 struct iphdr t; 
 
 unsigned short *s; 
 
 memset(&t,0,2); 
 
 s = (unsigned char *)&t; 
 //注意，直接賦值0x8183，因為該常量必然和主機字節(jié)序一致， 
 //小端：83給低字節(jié)， 
 //大端：81給低字節(jié) 
 *s = 0x8183; 
 
 printf("fin:%d rsv：%d opcode：%d mask：%d paylod：%d \n", 
  t.fin,t.rsv,t.opcode,t.mask,t.payload);  
} 

執(zhí)行結(jié)果：

fin：1 rsv：1 opcode：8 mask：1 paylod：64 

由結(jié)果可知，收到的0x8183這個值與對應(yīng)的的二進(jìn)制關(guān)系:

fin：1 
rsv：001 
opcode：1000 
mask：1 
paylod：1000000 

如上圖多少，內(nèi)存的第1個字節(jié)是0x83,第2個字節(jié)是0x81【和前面的例子不一樣了，因為我們是直接賦值0x8183,而該常數(shù)是小字節(jié)序，所以低字節(jié)是0x83】;

可見：

低字節(jié)83給了 fin+rsv+opcode

所以，這說明了一口君的ubuntu是小端字節(jié)序。

4. 拓展例子

繼續(xù)將結(jié)構(gòu)體做如下修改，當(dāng)位域成員大小加一起不夠一個整字節(jié)的時候，驗證各成員在內(nèi)存中的布局。

#include <stdio.h> 
struct iphdr { 
 unsigned char fin:1; 
 unsigned char opcode:4; 
 unsigned char a; 
 unsigned char b; 
}; 
main() 
{ 
 struct iphdr t; 
 
 unsigned char *s; 
 
 memset(&t,0,2); 
 
 s = (unsigned short *)&t; 
 
 t.fin = 1; 
 t.opcode = 0xf; 
  
 printf("%x\n",s[0]);   
} 

fin：1 
opcode：1111 

內(nèi)存中形式如下：

如果修改fin的值為0：

t.fin = 0; 

執(zhí)行結(jié)果如下：

fin：0 
opcode：1111 

內(nèi)存中形式如下：

5. 總結(jié)

大家遇到類似問題的時候，一定要寫一些實例去驗證，對于初學(xué)者來說，建議多參考上述實例。