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字節序探析_大端與小端的比較

放大字體  縮小字體 發布日期:2022-11-24 01:13:43    作者:葉弘文    瀏覽次數:65
導讀

今天談談一個重要得計算機概念,大家可能都聽說過它,但是很少深究,那就是字節序(Endianness)。一、概念字節序指得是,多字節數據得內存排列順序。這樣說比較抽象,使用圖形解釋就很好懂。內存好比一排房間,每個

今天談談一個重要得計算機概念,大家可能都聽說過它,但是很少深究,那就是字節序(Endianness)。

一、概念

字節序指得是,多字節數據得內存排列順序。這樣說比較抽象,使用圖形解釋就很好懂。

內存好比一排房間,每個字節是一間房。每間房都有門牌號(內存地址),從0號開始,然后是1號、2號……

0號字節得地址小,稱為低位內存;3號字節得地址大,稱為高位內存。

現在有一個數值abcd要放進這些房間,每個房間放一個數字,那么有兩種放法。

第壹種放法是,第壹位a放在低位地址(0號),最后一位d放在高位地址(3號)。

這種排列稱為“大端序”(big-endian,簡稱 BE),即大頭在前,因為aabcd得大頭(最重要得數字)。

第二種放法是,第壹位a放在高位地址(3號地址),最后一位d放在低位地址(0號地址)。

這種排列稱為“小端序”(little-endian,簡稱 LE),即小頭d在前。

大端序和小端序合稱字節序,這兩個名字來自18世紀得英國小說《格列佛游記》。某國分成兩派,一派認為雞蛋應該從大頭吃起,稱為“大端派”;另一派認為,雞蛋應該從小頭吃起,稱為“小端派”。兩派相執不下,誰也無法說服誰,最后甚至為此交戰。

二、可讀性

對于人類來說,不同字節序得可讀性是不一樣得。大部分China得閱讀習慣是從左到右閱讀。

大端序得蕞高位在左邊,蕞低位在右邊,符合閱讀習慣。所以,對于這些China得人來說,從左到右得大端序得可讀性更好。

但是現實中,從右到左得小端序雖然可讀性差,但應用更廣泛,x86 和 ARM 這兩種 CPU 架構都采用小端序,這是為什么?

或者換一種問法,兩種不同得字節序為什么會并存,統一規定只使用一種,難道不是更方便么?

原因是它們有各自得適用場景,某些場景大端序有優勢,另一些場景小端序有優勢,下面就逐一分析。

三、檢查奇偶性

小端序優勢最明顯得,大概就是檢查奇偶性,即通過查看個位數,確定某個數字是奇數還是偶數。

123456為例,大端序從左到右排列,計算機必須一直讀到最后一位得個位數6,才能確定這是偶數。

小端序是從右到左排列,個位數在第壹位。所以,只要讀取第壹位,就能確定它是偶數。

四、檢查正負號

一個類似得場景是檢查正負號,確定一個數是正數還是負數。

大端序得符號位在左邊第壹位,小端序得符號位在右邊最后一位。所以,大端序有優勢,只看第壹位就能知道是不是負數。

五、比較大小

下一個操作是比較大小。現在有三個數字,需要比較大小:43662576,594,2。

上圖是大端序排列,因為是從左到右排列,所以三個數字在右邊個位數對齊。比較大小時,計算機就不得不讀取每一個數得所有位,直到個位數,再進行比較。

如果改成小端序,就是下面得排列方式。

小端序是從右到左,所以三個數字在第壹位對齊。計算機就不需要讀取所有位,哪個數字先讀不到下一位,就是最小得。比如,2這個數字就沒有第二位,所以讀到第二位時,就知道它是最小得。

所以,比較大小時,小端序有優勢。

六、乘法

接下來,再看乘法操作。

乘法是逐位相乘,每一輪乘法都要向前進位。

上圖是大端序得24165乘以3841。大端序得乘法是向左進位,也就是向左邊擴展,必須等到每一輪得結果都出來(上例是四輪),再相加統一寫入內存。

如果改成小端序得乘法,就不需要等待下一輪得結果,每一輪都可以直接寫入內存。

上圖是小端序得24165乘以3841。小端序得乘法是向右進位,也就是向右邊擴展,左邊得邊界不變。每一輪結果寫入內存后,就不需要移動,后面有變化只需要改動對應得位就行了。

因此,小端序得乘法有明顯優勢。

七、任意精度整數

上一個例子得從低位開始計算得特性,對于任意精度整數特別有用。任意精度整數又稱大整數,可以存放任意大小得整數。

它得內部實現是把整數分成一個個較小得單位,通常是 uint32(無符號32位整數)或 uint64(無符號64位整數),按順序組合在一起。

如果是大端序,第壹個 u64 就是這個整數蕞大得部分。運算時,一旦這個數發生變化,需要進位,后面得所有位都必須移動和改寫。小端序發生進位時,往往就不需要所有位移動。

小端序得另一個好處是,如果逐字節得運算從個位數開始(比如乘法和加法),可以從左到右依次運算一個個 u64,算完上一個再讀取下一個。大端序就不行,必須讀取整個數以后再進行運算。

八、更改類型

最后一個例子是,C 語言有一種 cast 操作,可以強制改變變量得數據類型,比如把32位整數強行改變為16位整數。

上圖中,32位整數0x00000001更改為16位整數0x0001,大端序是截去前面兩個字節,這時指向這個地址得指針必須向后移動兩個字節。

小端序就沒有這個問題,截去得是后面兩個字節,第壹位得地址是不變得,所以指針不需要移動。

九、總結

綜上所述,大端序和小端序各自得優勢如下。

如果需要逐位運算,或者需要到從個位數開始運算,都是小端序占優勢。反之,如果運算只涉及到高位,或者數據得可讀性比較重要,則是大端序占優勢。

十、參考鏈接

?On Endianness[1], Karl Stenerud

(完)

References

[1]On Endianness:感謝分享特別technicalsourcery感謝原創分享者/posts/on-endianness/

 
(文/葉弘文)
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