字节序

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字节顺序,又称端序尾序英语Endianness)。在计算机科学领域中,是跨越多字节的程序对象的存储规则。

简介[编辑]

在几乎所有的机器上,多字节对象都被存储为连续的字节序列。例如在C语言中,一个类型为int的变量x地址为0x100,那么其对应地址表达式&x的值为0x100。且x的四个字节将被存储在存储器0x100, 0x101, 0x102, 0x103位置。[1]

而存储地址内的排列则有两个通用规则。一个多位的整数将按照其存储地址的最低或最高字节排列。如果最低有效字节最高有效字节的前面,则称小端序;反之则称大端序。在网络应用中,字节序是一个必须被考虑的因素,因为不同机器类型可能采用不同标准的字节序,所以均按照网络标准转化。

例如假设上述变量x类型为int,位于地址0x100处,它的十六进制为0x01234567,地址范围为0x100~0x103字节,其内部排列顺序依赖于机器的类型。大端法从首位开始将是:0x100: 01, 0x101: 23,..。而小端法将是:0x100: 67, 0x101: 45,..

端(endian)的起源[编辑]

endian”一词来源于乔纳森·斯威夫特的小说格列佛游记。小说中,小人国为水煮蛋该从大的一端(Big-End)剥开还是小的一端(Little-End)剥开而争论,争论的双方分别被称为“大端派”和“小端派”。以下是1726年关于大小端之争历史的描述:

“我下面要告诉你的是,Lilliput和Blefuscu这两大强国在过去36个月里一直在苦战。战争开始是由于以下的原因:我们大家都认为,吃鸡蛋前,原始的方法是打破鸡蛋较大的一端,可是当今皇帝的祖父小时候吃鸡蛋,一次按古法打鸡蛋时碰巧将一个手指弄破了。因此他的父亲,当时的皇帝,就下了一道敕令,命令全体臣民吃鸡蛋时打破鸡蛋较小的一端,违令者重罚。老百姓们对这项命令极其反感。历史告诉我们,由此曾经发生过6次叛乱,其中一个皇帝送了命,另一个丢了王位。这些叛乱大多都是由Blefuscu的国王大臣们煽动起来的。叛乱平息后,流亡的人总是逃到那个帝国去寻求避难。据估计,先后几次有11000人情愿受死也不肯去打破鸡蛋较小的一端。关于这一争端,曾出版过几百本大部著作,不过大端派的书一直是受禁的,法律也规定该派任何人不得做官。”[2]

1980年,Danny Cohen,一位网络协议的早期开发者,在其著名的论文"On Holy Wars and a Plea for Peace"中,为平息一场关于字节该以什么样的顺序传送的争论,而第一次引用了该词。[3]

字节顺序[编辑]

在哪种字节顺序更合适的问题上,人们表现得非常情绪化,实际上,就像鸡蛋的问题一样,没有技术上的原因来选择字节顺序规则,因此,争论沦为关于社会政治问题的争论,只要选择了一种规则并且始终如一地坚持,其实对于哪种字节排序的选择是任意的。

对于单一的字节(a byte),大部分处理器以相同的顺序处理位元(bit),因此单字节的存放方法和传输方式一般相同。

对于多字节数据,如整数(32位机中一般占4字节),在不同的处理器的存放方式主要有两种,以内存中0x0A0B0C0D的存放方式为例,分别有以下几种方式:

注: 0x前缀代表十六进制。

大端序[编辑]

大端序(英:big-endian)或稱大尾序

Big-Endian.svg
  • 数据以8bit为单位:
地址增长方向  →
... 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D ...

示例中,最高位字节是0x0A 存储在最低的内存地址处。下一个字节0x0B存在后面的地址处。正类似于十六进制字节从左到右的阅读顺序。

  • 数据以16bit为单位:
地址增长方向  →
... 0x0A0B 0x0C0D ...

最高的16bit单元0x0A0B存储在低位。

小端序[编辑]

小端序(英:little-endian)或稱小尾序

Little-Endian.svg
  • 数据以8bit为单位:
地址增长方向  →
... 0x0D 0x0C 0x0B 0x0A ...

最低位字节是0x0D 存储在最低的内存地址处。后面字节依次存在后面的地址处。

  • 数据以16bit为单位:
地址增长方向  →
... 0x0C0D 0x0A0B ...

最低的16bit单元0x0D0C存储在低位。

  • 更改地址的增长方向:

当更改地址的增长方向,使之由右至左时,表格更具有可阅读性。

←  地址增长方向
... 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D ...

最低有效位(LSB)是0x0D 存储在最低的内存地址处。后面字节依次存在后面的地址处。

←  地址增长方向
... 0x0A0B 0x0C0D ...

最低的16bit单元0x0C0D存储在低位。

混合序[编辑]

混合序(英:middle-endian)具有更复杂的顺序。以PDP-11为例,0x0A0B0C0D被存储为:

  • 32bit在PDP-11的存储方式
地址增长方向  →
... 0x0B 0x0A 0x0D 0x0C ...

可以看作最高的16bit位和低位以大端序存储,但16bit内部以小端存储。

处理器体系[编辑]

网络序[编辑]

网络传输一般采用大端序,也被称之为网络字节序,或网络序IP协议中定义大端序为网络字节序。

伯克利socket API定义了一组转换函数,用于16和32bit整数在网络序和本机字节序之间的转换。htonl,htons用于本机序转换到网络序;ntohl,ntohs用于网络序转换到本机序。

位序[编辑]

一般用于描述串行设备的传输顺序。网络协议中只有数据链路层的底端会涉及到。

小端序(先传低位)的串行协议[编辑]

大端序(先传高位)的串行协议[编辑]

参见[编辑]

外部链接[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ 《深入理解计算机系统》 第2章 信息的表示和处理 P26.
  2. ^ 《格列夫游记》 第一卷第4章 蒋剑锋(译).
  3. ^ 《深入理解计算机系统》 第2章 信息的表示和处理 P27.