本文主要介绍C/C++中的字节序(含位域)和对齐。

基本类型大小

类型 32位 64位
char 1 1
short 2 2
int 4 4
long 4 8
long long 8 8
pointer 4 8
float 4 4
double 8 8

signed和unsigned只影响最高位的含义，不影响类型大小。
常见系统32位和64位基本类型大小的差异主要在long和pointer，其他是一致的。

对齐

出于性能或者地址合法性(如MIPS平台)的考虑，变量存放地址要求为该变量类型对齐值的倍数。
基本类型默认对齐值为类型大小，结构体默认对齐值为各个成员对齐值的最大值。
通过 #pragma pack(数值) 可以指定对齐值，#pragma pack() 恢复默认对齐值。
实际对齐值是默认对齐值和指定对齐值中较小的值。

默认对齐

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struct DefSt{
    char a;  // 1的倍数，变量地址+0~0
    int b;   // 4的倍数，变量地址+4~7
    short c; // 2的倍数，变量地址+8~9
} ds[2];  // 4的倍数，变量地址+12

void structSizeDef()
{
    cout << "sizeof(DefSt): " << sizeof(DefSt) << endl;
    // 大小为12
    
    cout << "ds[0] @" << (void *)&ds[0] << endl;
    cout << "ds[0].a @" << (void *)&ds[0].a << endl;
    cout << "ds[0].b @" << (void *)&ds[0].b << endl;
    cout << "ds[0].c @" << (void *)&ds[0].c << endl;
    cout << "ds[1] @" << (void *)&ds[1] << endl;
}

不难看出结构体大小是其对齐值的倍数(否则后续变量地址就可能不对齐)。

指定对齐

指定对齐值为1就是我们通常意义上理解的紧凑布局。

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#pragma pack(1)
struct SpecSt{
    char a;  // 变量地址+0~0
    int b;   // 变量地址+1~4
    short c; // 变量地址+5~6
} ss0, ss1;  // 变量地址+7
// 恢复默认对齐
#pragma pack()

void structSizeSpec()
{
    cout << "sizeof(SpecSt): " << sizeof(SpecSt) << endl;
    // 大小为7
    
    cout << "ss0 @" << (void *)&ss0 << endl;
    cout << "ss0.a @" << (void *)&ss0.a << endl;
    cout << "ss0.b @" << (void *)&ss0.b << endl;
    cout << "ss0.c @" << (void *)&ss0.c << endl;
    cout << "ss1 @" << (void *)&ss1 << endl;
}

GCC编译器的话，也可以用__attribute__ ((__packed__))。

字节序

字节序就是字节存放的顺序，分为大端和小端两种字节序。
大端字节序先存放高位的字节。
小端字节序先存放低位的字节。
网络字节序就是大端字节序。
主机序就是系统的字节序，一般由CPU类型(x86, arm, mips…)决定。

通过检查整型1首地址的存放内容即可知道字节序类型：

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void byte_order()
{
    int num = 1;

    string order = (1 == *(char *)&num)? "little": "big";
    cout << "Your system use " << order << " endian" << endl;
}

Linux可以通过endian.h中的宏 __BYTE_ORDER 判断是 __LITTLE_ENDIAN 还是 __BIG_ENDIAN 。

转换

通过 ntohs 或 ntohl 转换网络序为主机序。
通过 htons 或 htonl 转换主机序为网络序。
n是network缩写，h是host缩写，s是short类型缩写，l是long类型缩写。

位域

位域是指按位存储的字段，存储的顺序跟系统字节序一致。
小端先从低位开始存储，大端先从高位开始存储。
如果需要兼容不同字节序的平台，那么需要根据宏分别定义(位域定义顺序相反)。

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// f0, f1, f2, f3共用同一字节中的不同位
struct ModFlags
{
    char f0: 2;
    char f1: 2;
    char f2: 2;
    char f3: 2;
} mf;

void bit_field_order()
{
    uint8_t *ptr = (uint8_t *)&mf;

    cout << "sizeof(ModFlags): " << sizeof(ModFlags) << endl;
    // 大小为1(字节)
    
    mf.f0 = 3;
    mf.f3 = 1;
    cout << "mf: 0x" << hex << (int)*ptr << endl;
    // 小端是 0x43
    // 大端是 0xC1
}