段位结构体与补码、大小端
来源：互联网 发布：菠萝饭官方软件 编辑：程序博客网 时间：2024/04/30 21:56
最近在进行C语言复习，不借助课本死知识，试图直接通过某些方式进行推理验证，来得出一些听过的和没听过的、还有忘记的结论。
比较浅，适合初学者看。但也有一些不容易发现的小规律能够涨姿势。
1.直接上题，这也算一个面试题吧，让你解释打印结果：
struct bit{ int a:3; int b:2; int c:3;};int main(){ bit s; char *c=(char*)&s; cout<<sizeof(bit)<<endl; *c=0x99; cout << s.a <<endl<<s.b<<endl<<s.c<<endl; int a=-1; printf("%x",a); return 0;} 这题简单一点，告诉你输出是多少（或者难一点，也可以直接让你猜输出），然后让你解释输出为什么是：
root@v:/usr/local/C-test/analysis# ./a.out41-1-4ffffffffroot@v:/usr/local/C-test/analysis#
我一分析就分析错了?这都哪跟哪?退一步两步，然后根据答案也没说对~！
这个题不难，答不对其实是一些基础知识淡忘和遗漏造成的。
马虎大意看错行：要注意，第一个4是sizeof输出的，由于没加文字性描述，容易误认4为第一个输出（最主要原因是最后一个没换行，linux输出容易忽略那一行，认为前三个是abc第四个是-1，其实第五个才是-1），到时候就更摸不着头脑了——当然，有电脑时你可以自己加文字描述，在纸上不会出现命令行干扰，这个问题可以解决。
2.引用一段关于段位结构的定义（精简版）：
位结构定义的一般形式为:
struct位结构名{
数据类型 变量名: 整型常数;
数据类型 变量名: 整型常数;
} 位结构变量;
其中: 数据类型必须是int(unsigned或signed)。 整型常数必须是非负的整数,范围是0~15, 表示二进制位的个数, 即表示有多少位。变量名是选择项, 可以不命名, 这样规定是为了排列需要。
例如: 下面定义了一个位结构。
struct{ unsigned incon: 8; /*incon占用低字节的0~7共8位*/ unsigned txcolor: 4;/*txcolor占用高字节的0~3位共4位*/ unsigned bgcolor: 3;/*bgcolor占用高字节的4~6位共3位*/ unsigned blink: 1; /*blink占用高字节的第7位*/ }ch; 位结构成员的访问与结构成员的访问方式是相同的，访问上例位结构中的bgcolor成员可写成:
ch.bgcolor
注意:
1. 位结构中的成员可以定义为unsigned,也可定义为signed, 但当成员长度为1时, 会被认为是unsigned类型。因为单个位不可能具有符号。（实测：int默认）
2. 位结构中的成员不能使用数组和指针, 但位结构变量（不是位结构变量的成员变量）可以是数组和指针, 如果是指针, 其成员访问方式同结构指针。
3. 位结构总长度(位数), 是各个位成员定义的位数之和, 可以超过两个字节。
4. 位结构成员可以与其它结构成员一起使用。
例如:
struct info{ char name[8]; int age; struct addr address; float pay; unsigned state: 1; unsigned pay: 1; }workers;’ 上例的结构定义了关于一个工从的信息。其中有两个位结构成员, 每个位结构成员只有一位, 因此只占一个字节但保存了两个信息, 该字节中第一位表示工人的状态, 第二位表示工资是否已发放。由此可见使用位结构可以节省存贮空间。
光参考这些定义，是解决不了这个题的。下面看看另一个问题，补码~~
3.计算机存储形式——补码
int a=-1; printf("%x",a);首先，看到那个printf了吧，其他都是cout，突然来个printf，是不是很突兀？更绝的是，此处定义了一个a，跟前边根本没关系。
其实，它是题目的提示信息（不是提示的话突然搞这么个输出语句不是蛋疼么，看来这和高考一样，有出题和答题技巧
），-1输出的ffffffff是提示信息，它提示了你计算机的存储形式——用%x控制输出16进制能看清它在计算机中的的存储形式是补码。
那么什么是补码呢？也算基础知识了，这里就不详细说什么原码、反码、补码的定义和区别了，直接上原码补码换算方法：
补码，顾名思义，互补，补全，也可以参考“集合”的定义，一个全集中有子集A，A和否A，两者相补刚好满。说白了这叫模运算。比如二进制中单个位上进行的就是模运算，1+1 == 2，进位10或者不进位0，原来的位上取都取0.
以八位二进制为例，模为2的八次幂，即1111 1111 + 1，没法用1 0000 0000表示，因为没那么长~~
正数（补码和原码相同）：+11
二进制：0000 1011
原码：0000 1011
补码：0000 1011
负数：-7
二进制（这里还不涉及符号，只是二进制数）：0000 1111
原码（第一位为符号位，负数符号位1）：1000 1111
补码：1111 0001
小结：正数不变，负数除符号位，变反+1，总之，原码补码相加应该等于模的倍数。
4.分析原题
有了段位结构体和补码的基础后，再来分析原题：
废话就不多说了，还是设立对照组，利用printf打印参数发现规律和问题。经过多次改进，终于弄出一个比较完整有效的参照实验：
#include<stdio.h>#include<iostream>struct bit{ int a:3; int b:2; int c:3;};//看看int默认是有符号还是无符号？int main(){ bit s; char *c = (char*) &s; printf("before assignment : s is %x\n",*c); printf("and a/b/c is :\n"); std::cout << s.a << std::endl << s.b << std::endl << s.c << std::endl; printf("s.a:%x\ns.b:%x\ns.c:%x\n",s.a,s.b,s.c); *c = 0x99; printf("after assignment : s is %x\n",*c); printf("sizeof(bit) s is %d\n",sizeof(bit)); std::cout << s.a << std::endl << s.b << std::endl << s.c << std::endl; printf("s:%x\n",s); printf("s.a:%x\ns.b:%x\ns.c:%x\n",s.a,s.b,s.c);}打印：# ./a.outbefore assignment : s is ffffffc9and a/b/c is :11-2s.a:1s.b:1s.c:fffffffeafter assignment : s is ffffff99sizeof(bit) s is 41-1-4s:8048899s.a:1s.b:ffffffffs.c:fffffffcPS：赋值前（before assignment）：s is ffffffc9尾数c9不是固定的，根据源代码的组织不同，可能影响到内存分配从而造成区别。编译中出现过69、89和c9，但是前边的ffffff是固定的。可以看到虽然struct bit中只有3+2+3 == 8 个比特位，但是还是占用了4个字节，共32个比特位（但是这不影响用一个char指针就给他们三个赋值，因为他们三个占用的一个字节在整个struct bit中的地址最小（小端），char指针正好指向那个地址）。
由于改进了实验代码，可以直接从结果看出，struct bit中低8位是被赋值0x99了，但是高24位被缺省弄成0xffffff了，这是从整个struct bit声明时就存在的。从现在看，无法撼动！！！
特例：除非用指针改——比如*(c+1) = 0x00，手贱的我还是试了，用
*(c + 1) = 0x00;不成功。怀疑有保护，不过因为已经证实前边的那堆default产生的ffffff对结果没影响，暂时也就没必要深究了。s.a，s.b，s.c分别占用几个bit位，就按几个bit位算，不干前边的事。想想也是，那样的话也太悲剧了吧，头一个比特变量（比如s.a）永远受前边影响（s.c:1111 1111 1111 1111 1111 1111 110），没法算准，特例之中还有特例，用std::cout来操作s.a，s.b，s.c是没事了，但是用其他不匹配的指针操作，例如：
printf("before assignment : s is %x\n",*c); printf("s.a:%x\ns.b:%x\ns.c:%x\n",s.a,s.b,s.c);的打印结果：
ffffff99
s.a:1
s.b:ffffffff
s.c:fffffffc
都不是真正想要的结果~！
那么再来分析打印结果，我先做个小假设(蓝色为实际上错误的假设)：
赋值前：十六进制：0xfffffc9
二进制：
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 1001
后八位分给s.a、s.b、s.c：
s.a:110
s.b：01
s.c：001
打印结果是：1、1、-2
赋值后：十六进制：0xffffff99
二进制：
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1001 1001
后八位分给s.a、s.b、s.c：
s.a:100
s.b：11
s.c：001
打印结果是：1、-1、-4
明显不对~！！！所以呢？顺序有误，s.a和s.c应该调换一下！即，赋值后：
s.a为001，
s.c为110，
s.b还是01。
这样再按补码看（不用补到八位或32位，有几位算几位），110是-2；100是-4；01和001都是1；11是-1。就对上号了
这个故事告诉我们：结构体中，不光先声明的常规变量地址更低，先声明的比特位也在同地址中更低的地方——话说回来，这只是个特例，刚好他们总共才占一个地址，如果扩展到比特位占用多个地址（就是总和大于8bit）的情况下，必然要遵循这个小端规律~
收点小知识：
一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。例如：
struct bs { unsigned a:4 unsigned :0 /*空域*/ unsigned b:4 /*从下一单元开始存放*/ unsigned c:4 } 用那个空域就能起隔离作用，只是用空域方便快捷一点，不一定非得用空域，用已命名或者根本就未命名的位域填充（比如上例中写4），保证刚好不跨字节就OK了。
注意，不能跨越两个字节，也就意味着位域最大只能是8了。
个人能力有限，没有深究两个问题：
1.我使用*(c + 1) = 0x00;或者*(c - 1) = 0x00;都无法改变struct bit中前边24位中的1，说是保护不知道妥当否，还是方法不对。
2.既然s.a等都只有两三位，他们在寄存器中是怎么操作的，先从栈中提取出来，放寄存器，补全，操作完，再放回去？
因为使用了%al低8位操作，又用了$0xfffffff8等补全操作，所以暂且假设是刚好能对s.a，s.b和s.c分别操作而互不影响，具体应该能从这些值中计算，推测一二，但是先写到这吧，没推，扯得有点远。
有些也没看太懂，比较生偏的movzbl等（也差不太多都能查的到，AT&T用法）。
=> 0x8048634 <main()+16>:and $0xfffffff8,%eax 0x8048637 <main()+19>:or $0x1,%eax 0x804863a <main()+22>:mov %al,0x14(%esp) 0x804863e <main()+26>:movzbl 0x14(%esp),%eax 0x8048643 <main()+31>:or $0x18,%eax 0x8048646 <main()+34>:mov %al,0x14(%esp) 0x804864a <main()+38>:movzbl 0x14(%esp),%eax 0x804864f <main()+43>:and $0x1f,%eax 0x8048652 <main()+46>:or $0xffffffa0,%eax 0x8048655 <main()+49>:mov %al,0x14(%esp)
0 0
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