淺談字節序（Byte Order）及其相關操作 - Jeffrey Zhao - 博客園
淺談字節序（Byte Order）及其相關操作
2010-02-10 23:05 by Jeffrey Zhao, 12152 閱讀, 41 評論, 收藏 , 編輯最近在為 Tokyo Tyrant 寫一個.NET客戶端類庫。Tokyo Tyrant公開了一個基于TCP協議的二進制協議，于是我們的工作其實也只是按照協議發送和讀取一些二進制數據流而已，并不麻煩。不過在其中涉及到了“字節序”的概念，這本是計算機體系結構/操作系統等課程的基礎，不過我還是打算在這里進行簡單說明，并且對.NET中部分類庫在此類數據流處理時的注意事項進行些許記錄與總結。
字節序（Byte Order）
說到程序間的通信，說到底便是發送數據流。我們一般把字節（byte）看作是數據的最小單位。當然，其實一個字節中還包含8個比特（bit）──有時候我奇怪為什么很多朋友會不知道bit或是它和byte的關系。當我們拿到一系列byte的時候，它本身其實是沒有意義的，有意義的只是“識別字節的方式”。例如，同樣4個字節的數據，我們可以把它看作是1個32位整數、 2個Unicode、 或者字符4個ASCII字符。
同樣我們知道，在一個32位的CPU中“字長”為32個bit，也就是4個byte。在這樣的CPU中，總是以4字節對齊的方式來讀取或寫入內存，那么同樣這4個字節的數據是以什么順序保存在內存中的呢？例如，現在我們要向內存地址為a的地方寫入數據0x0A0B0C0D，那么這4個字節分別落在哪個地址的內存上呢？這就涉及到字節序的問題了。
每個數據都有所謂的“有效位（significant byte）”，它的意思是“表示這個數據所用的字節”。例如一個32位整數，它的有效位就是4個字節。而對于0x0A0B0C0D來說，它的有效位從高到低便是0A、0B、0C及0D——這里您可以把它作為一個256進制的數來看（相對于我們平時所用的10進制數）。
而所謂 大字節序（big endian） ，便是指其“ 最高有效位（most significant byte） ”落在低地址上的存儲方式。例如像地址a寫入0x0A0B0C0D之后，在內存中的數據便是：
而對于 小字節序（little endian） 來說就正好相反了，它把“ 最低有效位（least significant byte） ”放在低地址上。例如：
對于我們常用的CPU架構，如Intel，AMD的CPU使用的都是小字節序，而例如Mac OS以前所使用的Power PC使用的便是大字節序（不過現在Mac OS也使用Intel的CPU了）。此外，除了大字節序和小字節序之外，還有一種很少見的中字節序（middle endian），它會以2143的方式來保存數據（相對于大字節序的1234及小字節序的4321）。
關于字節序的詳細說明，您可以參考Wikipedia里的 Endianness條目 。
相關.NET類庫
BinaryWriter和BinaryReader
在.NET框架操作數據流的時候，我們往往會使用BinaryWriter和BinaryReader進行讀寫。這兩個類中都有對應的WriteInt32或是ReadInt32方法，那么它們是如何處理字節序的呢？從MSDN上我們了解到 BinaryReader使用小字節序讀取數據 。這意味著：
var stream = new MemoryStream ( new byte [] { 4, 1, 0, 0 }); var reader = new BinaryReader (stream); int i = reader.ReadInt32(); // i == 260與之類似，自然BinaryWriter也是使用小字節序來寫入數據。
BitConverter
有時候我們還會使用BitConverter來轉化byte數組及一個32位整數（自然也包括其他類型），這也是涉及到字節序的操作，那么它們又是如何處理的呢？與BinaryWriter和BinaryReader的“固定策略”不同，BitConverter的行為是平臺相關的。
首先，BitConverter有一個只讀靜態字段IsLittleEndian，它表示當前平臺的字節序。由于我們為不同的CPU會安裝不同的.NET類庫，因此您現在如果通過.NET Reflector來查看這個字段會發現它被設置為一個常量true。那么接下來，BitConverter上的各個方便便會根據IsLittleEndian的值產生不同行為了，例如它的ToInt32方法：
public static unsafe int ToInt32( byte [] value, int startIndex) { // ... fixed ( byte * numRef = &(value[startIndex])) { if ((startIndex % 4) == 0) { return *((( int *)numRef)); } if (IsLittleEndian) { return numRef[0] | (numRef[1] << 8) | (numRef[2] << 16) | (numRef[3] << 24); } return (numRef[0] << 24) | (numRef[1] << 16) | (numRef[2] << 8) | numRef[3]; } }顯然，這里會根據IsLittleEndian返回不同的值。
判斷當前平臺的字節序
在.NET Framework中BitConverter.IsLittleEndian字段是一個常量，也就是說它在編譯期便寫入了一個靜態的值。那么我們如果想要通過代碼來判斷當前平臺的字節序，又該怎么做呢？其實這很簡單：
static unsafe bool IsLittleEndian() { int i = 1; byte * b = ( byte *)&i; return b[0] == 1; }這里我們通過檢查32位整數1的第一個字節來確定當前平臺的字節序。當然，我們也可以使用其他類型，例如：
static unsafe bool AmILittleEndian() { // binary representations of 1.0: // big endian: 3f f0 00 00 00 00 00 00 // little endian: 00 00 00 00 00 00 f0 3f // arm fpa little endian: 00 00 f0 3f 00 00 00 00 double d = 1.0; byte * b = ( byte *)&d; return (b[0] == 0); }這段代碼來自mono的BitConverter類庫，至于它為什么使用double而不是int，我也不是很清楚。
Buffer.BlockCopy方法
.NET類庫中自帶一個 Buffer.BlockCopy 方法，它的作用是將一個數組的字節——不是元素——復制到另一個數組中去。換句話說，一個長度為100的int數組經過完整的復制后，就變成了長度為50的long數組，因為一個int為4字節，而long為8字節。從文檔上看，Buffer.BlockCopy是與字節序相關的，也就是說，同樣的.NET代碼在字節序不同的平臺上得到的結果可能不同。因此，我建議在使用這個方法的時候多加小心。
面向特定字節序編程
我們知道，BitConverter的工作結果是和當前平臺的字節序相關的，但是在很多時候，尤其是根據某個公開的協議進行通信編程的時候，是需要固定一個字節序的。例如Tokyo Tyrant便要求每個整數都以大字節序的方式來通信——無論是發送還是讀取。為了保證.NET代碼的平臺無關性，我們不能直接使用BitConverter.GetBytes或ToInt32方法進行轉化。那么我們該怎么辦呢？最直觀的方法自然是手動進行轉換：
static int ReadInt32( Stream stream) { var buffer = new byte [4]; stream.Read(buffer, 0, 4); return buffer[0] | (buffer[1] << 8) | (buffer[2] << 16) | (buffer[3] << 24); }由于我們可以通過BitConverter.IsLittleEndian來得到當前平臺的字節序，我們也可以用它進行判斷：
static int ReadInt32( Stream stream) { var buffer = new byte [4]; stream.Read(buffer, 0, 4); if ( BitConverter .IsLittleEndian) { Array .Reverse(buffer); } return BitConverter .ToInt32(buffer, 0); } static void WriteInt32( Stream stream, int value) { var buffer = BitConverter .GetBytes(value); if ( BitConverter .IsLittleEndian) { Array .Reverse(buffer); } stream.Write(buffer, 0, buffer.Length); }此外，我們知道BinaryWriter和BinaryReader都是依據小字節序進行讀寫的，因此我們也可以利用這點來讀寫數據流。要不，接下來就由您試試看如何？
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