C语言大小端字节序存储模式深入解读

介绍

在计算机存储体系中，一个数据在内存中是以若干字节为单位连续存储的。对于多字节数据的存储顺序，有两种规定：大端序和小端序，又分别称为网络字节序和主机字节序。C语言内存系统的存储方式是与它所运行的机器硬件有关的。在探讨之前，首先对大小端进行简单的介绍。

机器内存中的数据，大端和小端这两种存储方式主要考虑的是字节序。在计算机中，一个整型数字在内存中所占的大小是4个字节，这个4字节中并不是按照这个数据的本意进行存储的，而是分成了4个字节连续存储到内存中。

• 大端序：将高位字节存放在内存的低地址端，低位字节存放在内存的高地址端。例如数字 0x12345678 在内存中的表示形式是 12 34 56 78。
• 小端序：将低位字节存放在内存的低地址端，高位字节存放在内存的高地址端。例如数字 0x12345678 在内存中的表示形式是 78 56 34 12。

C语言中的字节序函数

C语言中提供了函数 htonl() 和 ntohl() 来实现大端字节序与小端字节序转化。字母 h 表示主机（Host），n 表示网络（Network），l 表示 32 位字长（long）。这两个函数主要用于将本地字节序转化成网络字节序：

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

• htonl() 函数将 4 字节（32 位）的本机无符号整数转换为网络字节序无符号整数；
• ntohl() 函数将 4 字节的网络字节序无符号整数转换为本机字节序的无符号整数。

因此，我们在网络通信中经常会用到这两个函数。

示例1

以十进制整数 16909060 (二进制表示为 00000001 00000010 00000011 00000100) 为例，分别以大小端字节序存储。

当以大端模式存储时，每一位的存储是这样的：

低地址	0x04	0x03	0x02	0x01	高地址
	00000001	00000010	00000011	00000100

当以小端模式存储时，每位的存储是这样的：

低地址	0x01	0x02	0x03	0x04	高地址
	00000001	00000010	00000011	00000100

示例2

在网络通信中，大端序是常用的网络字节序。下面介绍一个常见的网络通信的示例，计算机通过 socket 发送一个二进制数据包。下面分别以大端序和小端序来表示这个二进制数据包的字节序。

大端序

以一个 4 字节的数据 0x12345678 为例，其大端序的存储方式为 12 34 56 78，因此在向网络传输时，需要先将主机字节序转化为大端字节序，再进行网络通信。

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>

int main() {
    uint32_t num = 0x12345678;
    uint32_t net = htonl(num); // 转换成大端序
    // 发送数据，注意这里使用的是大端序
    send(sock, &net, sizeof(net), 0);
    return 0;
}

小端序

如果采用小端序来实现网络通信的话，需要将主机字节序转化为小端字节序，并发送小端序的数据。

#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>

int main() {
    uint32_t num = 0x12345678;
    // 使用小端序
    uint32_t net = (num >> 24) | ((num << 8) & 0x00FF0000) | ((num >> 8) & 0x0000FF00) | (num << 24);
    // 发送数据，这里使用的是小端序
    send(sock, &net, sizeof(net), 0);
    return 0;
}

需要注意的是，在网络通信中，服务器和客户端要保证使用同一种字节序。如果一个是大端字节序，一个是小端字节序，就会发生数据解析错误。