Thronds

    在求職筆試中，C中的位域是一個常考點，特別是在嵌入式軟件中更常見。位域的最大好處是可以根據自己需要定制位數，從而節省空間，例如：嵌入式編程稀缺的內存資源。還有在網絡通訊中，對頭信息部分的結構定義也常用到位域，少傳一位是一位啊。
    這里來分析EMC的一道筆試題(07年招聘試題)：
1 typedef struct bitstruct 2 { 3 int b1:5; 4 int :2; 5 int b2:2; 6 }bitstruct; 7 int main(int argc, char *argv[]) 8 { 9 bitstruct b; 10 printf("%d\n",sizeof(bitstruct)); 11 memcpy(&b,"EMC Examination",sizeof(b)); 12 printf("%d,%d\n",b.b1,b.b2); 13 return 0; 14 }
請問在little-endian systems(系統默認的存放順序)中，輸出結果是什么？
答案是

所需知識點：
1.位域的概念和特點
    C語言允許在一個結構體中以位為單位來指定其成員所占內存長度，這種以位為單位的成員稱為“位段”或稱“位域”(bit field)。(1)位段成員的類型必須指定為unsigned或int類型；(2)若某一位段要從另一個字開始存放，用:0長度為0的空位段，作用就是使下一個位段從下一個存儲單位(視不同編譯系統而異)開始存放；(3)一個位段必須存儲在同一存儲單元中，不能跨兩個單元；(4)可以定義無名字段例如"：2"；(5)位段的長度不能大于存儲單元的長度，也不能定義位段數組；(6)位段可以用整形格式符輸出；(7)位段可以在數值表達式中引用，它會被系統自動地轉換成整形數。[1][3]

2.Little-endian systems的內存布局特點
   
    先問一個問題：Endian這個詞是什么意思？

    “endian”這個詞出自《格列佛游記》。小人國的內戰就源于吃雞蛋時是究竟從大頭(Big-Endian)敲開還是從小頭(Little-Endian)敲開，由此曾發生過六次叛亂，其中一個皇帝送了命，另一個丟了王位。

    我們一般將endian翻譯成“字節序”，將big endian和little endian稱作“大尾”和“小尾”。這也在當今的CPU派別中一樣存在。Motorola的PowerPC系列CPU采用的Big-endian, Intel的X86系列CPU采用的是Little-endian。Little-endian的特點是高高低低，即高位地址存放最高有效字節，低位地址存放最低有效字節；而Big-endian正好相反。下面用圖的方式說明起來更直觀，例如0x12345678(特別注意，這是單個數，不是字符串，如果是字符串就不一定這樣了。之前沒有特別注意這點，害的我多花了冤枉時間)。
Big Endian

   低地址                                            高地址
   ----------------------------------------->
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     12     |      34    |     56      |     78    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Little Endian

   低地址                                            高地址
   ----------------------------------------->
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     78     |      56    |     34      |     12    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

    上面的字節序的不同，在單機的操作中沒有問題，因為一臺單機就是采用單一的字節序嘛！但是在兩個不同的主機進行協作時，就會出現問題了；另外在網絡通訊中也同樣會出現問題，詳細參考[2]

就單個字節而言，也會有這樣的問題：比特序有差別嗎？

    也分成兩種序，如果我們處理的基本單位是字節以上的話，對此就不必擔心了，因為CPU存儲操作的最小單元是字節，所以比特位的順序對我們來就是透明的，我們在讀取某個字節時，不管它用的是Big endian 還是Little endian，我們讀到的都是一個同樣的字節，只不過硬件在讀寫時的順序，一個是從高到底另一個是從低到高，對我們的使用不產生影響。但是如果涉及到位域的存放問題，還是要特別小心，上面這道題就是一個非常的好的例子。

Big Endian

   msb                                                         lsb
   ---------------------------------------------->
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |   1  |   0  |   1  |   1  |   0  |   1  |   0  |   0  |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Little Endian

   lsb                                                         msb
   ---------------------------------------------->
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |   0  |   0  |   1  |   0  |   1  |   1  |   0  |   1  |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

3.memcpy()與strcpy()的區別
    這個問題很簡單，可以想象成這樣：memcpy的基本單位是位，strcpy的基本單位是字符。所以，memcpy會根據提供的長度完全按位拷貝，而strcpy是兩個字符串之間的拷貝。

    回來原來的問題上，在采用little endian的BUS64中，struct bitstruct在沒涉及到高低位問題時，也就是我們平時常會畫出的一種形式是：
｛b1 b1 b1 b1 b1 Ø Ø b2   b2 Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø    ØØØØØØØØ   ØØØØØØØØ｝;
在內存中的實際布局是：

   低地址                                                 高地址
   -------------------------------------------------------------->
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   | b2 Ø Ø b1 b1 b1 b1 b1 |Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø b2 |ØØØØØØØØ |ØØØØØØØØ |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Ø表示空填充，這當中包含一個原則：一個位域的存放不可以跨字存放，但可以跨字節存儲；這里采用的比特續也是little endian，說明了比特序對操作也是有影響的嘛！

    memcpy按位拷貝“EMC Examination”到b中，一個字符是8位; 又因為sizeof(b)=4，所以只寫入"EMC "。"EMC "對應的位序列是：{0100 0101  0100 1101  0100 0011  0010 0000}，從這里寫到內存里的形式是：（在這里不要被little endian給迷惑了，E不是放在高地址，參看上面紅色的特別注意）

   低地址                                                 高地址
   -------------------------------------------------------------->
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   | b2 Ø Ø b1 b1 b1 b1 b1 |Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø b2 |ØØØØØØØØ |ØØØØØØØØ |
   | 0  1 0 0  0  1 0  1 |0  1  0  0 1  1 0  1 |0100 0011     |0010 0000    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

printf("%d,%d\n",b.b1,b.b2);讀出來的b1是00101，它的值是5; b2是10，轉換成十進制是－2。

到了這一步，似乎題目已經解答出來了，但還有兩個地方有疑惑：
1.struct bitstruct在內存中的位存放順序是這樣的么？
   低地址                                                 高地址
   -------------------------------------------------------------->
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   | b2 Ø Ø b1 b1 b1 b1 b1 |Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø b2 |ØØØØØØØØ |ØØØØØØØØ |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

2.memcpy函數在按位拷貝時的拷貝順序是這樣的么？
   低地址                                                 高地址
   -------------------------------------------------------------->
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   | 01000101 | 01001101 |0100 0011 |0010 0000 |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
關于上面兩個問題的驗證工作留給路過的朋友來做：－P .....  歡迎批評指正

[1]譚浩強 C程序設計 第二版 清華大學出版社
[2]http://blog.csdn.net/sunshine1314/archive/2008/04/20/2309655.aspx
[3]http://topic.csdn.net/t/20061207/10/5212742.html#
[4]http://elanso.com/ArticleModule/LmT3M6M6HGKzTDQcPKMGKAIi.html
[5]關于字節序與編碼的關聯請參考http://elanso.com/ArticleModule/LmT3M6M6HGKzTDQcPKMGKAIi.html