也谈字节序问题

一次Sun SPARC到Intel X86的平台移植让我们的程序遭遇了“字节序问题”，既然遇到了也就不妨深入的学习一下。

一、字节序定义
字节序，顾名思义字节的顺序，再多说两句就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序(一个字节的数据当然就无需谈顺序的问题了)。

其实大部分人在实际的开发中都很少会直接和字节序打交道。唯有在跨平台以及网络程序中字节序才是一个应该被考虑的问题。

在所有的介绍字节序的文章中都会提到字节序分为两类：Big-Endian和Little-Endian。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：
a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
c) 网络字节序：TCP/IP各层协议将字节序定义为Big-Endian，因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。

其实我在第一次看到这个定义时就很糊涂，看了几个例子后也很是朦胧。什么高/低地址端？又什么高低位？翻阅了一些资料后略有心得。

二、高/低地址与高低字节
首先我们要知道我们C程序映像中内存的空间布局情况：在《C专家编程》中或者《Unix环境高级编程》中有关于内存空间布局情况的说明，大致如下图：
----------------------- 最高内存地址 0xffffffff
 | 栈底
 .
 .              栈
 .
  栈顶
-----------------------
 |
 |
\|/

NULL (空洞) 

/|\
 |
 |
-----------------------
                堆
-----------------------
未初始化的数据
----------------(统称数据段)
初始化的数据
-----------------------
正文段(代码段)
----------------------- 最低内存地址 0x00000000

以上图为例如果我们在栈上分配一个unsigned char buf[4]，那么这个数组变量在栈上是如何布局的呢[注1]？看下图：
栈底 （高地址）
----------
buf[3]
buf[2]
buf[1]
buf[0]
----------
栈顶 （低地址）

现在我们弄清了高低地址，接着我来弄清高/低字节，如果我们有一个32位无符号整型0x12345678(呵呵，恰好是把上面的那4个字节buf看成一个整型)，那么高位是什么，低位又是什么呢？其实很简单。在十进制中我们都说靠左边的是高位，靠右边的是低位，在其他进制也是如此。就拿0x12345678来说，从高位到低位的字节依次是0x12、0x34、0x56和0x78。

高低地址和高低字节都弄清了。我们再来回顾一下Big-Endian和Little-Endian的定义，并用图示说明两种字节序：
以unsigned int value = 0x12345678为例，分别看看在两种字节序下其存储情况，我们可以用unsigned char buf[4]来表示value：
Big-Endian: 低地址存放高位，如下图：
栈底 （高地址）
---------------
buf[3] (0x78) -- 低位
buf[2] (0x56)
buf[1] (0x34)
buf[0] (0x12) -- 高位
---------------
栈顶 （低地址）

Little-Endian: 低地址存放低位，如下图：
栈底 （高地址）
---------------
buf[3] (0x12) -- 高位
buf[2] (0x34)
buf[1] (0x56)
buf[0] (0x78) -- 低位
---------------
栈顶 （低地址）

在现有的平台上Intel的X86采用的是Little-Endian，而像Sun的SPARC采用的就是Big-Endian。

三、例子
测试平台: Sun SPARC Solaris 9和Intel X86 Solaris 9
我们的例子是这样的：在使用不同字节序的平台上使用相同的程序读取同一个二进制文件的内容。
生成二进制文件的程序如下:
/* gen_binary.c */
int main() {
        FILE    *fp = NULL;
        int     value = 0x12345678;
        int     rv = 0;

        fp = fopen("temp.dat", "wb");
        if (fp == NULL) {
                printf("fopen error\n");
                return -1;
        }

        rv = fwrite(&value, sizeof(value), 1, fp);
        if (rv != 1) {
                printf("fwrite error\n");
                return -1;
        }

        fclose(fp);
        return 0;
}

读取二进制文件的程序如下：
int main() {
        int             value   = 0;
        FILE         *fp     = NULL;
        int             rv      = 0;
        unsigned        char buf[4];

        fp = fopen("temp.dat", "rb");
        if (fp == NULL) {
                printf("fopen error\n");
                return -1;
        }

        rv = fread(buf, sizeof(unsigned char), 4, fp);
        if (rv != 4) {
                printf("fread error\n");
                return -1;
        }

        memcpy(&value, buf, 4); // or value = *((int*)buf);
        printf("the value is %x\n", value);

        fclose(fp);
        return 0;
}

测试过程：
(1) 在SPARC平台下生成temp.dat文件
在SPARC平台下读取temp.dat文件的结果：
the value is 12345678

在X86平台下读取temp.dat文件的结果：
the value is 78563412

(1) 在X86平台下生成temp.dat文件
在SPARC平台下读取temp.dat文件的结果：
the value is 78563412

在X86平台下读取temp.dat文件的结果：
the value is 12345678

[注1]
buf[4]在栈的布局我也是通过例子程序得到的：
int main() {
        unsigned char buf[4];

        printf("the buf[0] addr is %x\n", buf);
        printf("the buf[1] addr is %x\n", &buf[1]);

        return 0;
}
output:
SPARC平台：
the buf[0] addr is ffbff788
the buf[1] addr is ffbff789
X86平台：
the buf[0] addr is 8047ae4
the buf[1] addr is 8047ae5

两个平台都是buf[x]所在地址高于buf[y] (x > y)。