水滴石穿C语言之C语言的底层操作

概述

　　C语言的内存模型基本上对应了现在von Neumann（冯·诺伊曼）计算机的实际存储模型，很好的达到了对机器的映射，这是C/C++适合做底层开发的主要原因，另外，C语言适合做底层开发还有另外一个原因，那就是C语言对底层操作做了很多的的支持，提供了很多比较底层的功能。

　　下面结合问题分别进行阐述。

　　问题：移位操作

　　在运用移位操作符时，有两个问题必须要清楚：

　　(1)、在右移操作中，腾空位是填 0 还是符号位；

　　(2)、什么数可以作移位的位数。

　　答案与分析：

　　">>"和"<<"是指将变量中的每一位向右或向左移动, 其通常形式为:

　　右移: 变量名>>移位的位数

　　左移: 变量名<<移位的位数

　　经过移位后, 一端的位被"挤掉",而另一端空出的位以0 填补,在C语言中的移位不是循环移动的。

　　(1) 第一个问题的答案很简单，但要根据不同的情况而定。如果被移位的是无符号数，则填 0 。如果是有符号数，那么可能填 0 或符号位。如果你想解决右移操作中腾空位的填充问题，就把变量声明为无符号型，这样腾空位会被置 0。

　　(2) 第二个问题的答案也很简单：如果移动 n 位，那么移位的位数要不小于 0 ，并且一定要小于 n 。这样就不会在一次操作中把所有数据都移走。

　　比如，如果整型数据占 32 位，n 是一整型数据，则 n << 31 和 n << 0 都合法，而 n << 32 和 n << -1 都不合法。

　　注意即使腾空位填符号位，有符号整数的右移也不相当与除以 。为了证明这一点，我们可以想一下 -1 >> 1 不可能为 0 。

　　问题：位段结构

struct RPR_ATD_TLV_HEADER
{
ULONG res1:6;
ULONG type:10;
ULONG res1:6;
ULONG length:10;
};

　　位段结构是一种特殊的结构, 在需按位访问一个字节或字的多个位时, 位结构比按位运算符更加方便。

　　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: 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相同。

　　例如: 访问上例位结构中的bgcolor成员可写成:

ch.bgcolor 

　　位结构成员可以与其它结构成员一起使用。 按位访问与设置，方便&节省

　　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。

　　注意不要超过值限制

　　问题：字节对齐

　　我在使用VC编程的过程中，有一次调用DLL中定义的结构时，发觉结构都乱掉了，完全不能读取正确的值，后来发现这是因为DLL和调用程序使用的字节对齐选项不同，那么我想问一下，字节对齐究竟是怎么一回事？

　　答案与分析：

　　关于字节对齐：

　　1、 当不同的结构使用不同的字节对齐定义时，可能导致它们之间交互变得很困难。

　　2、 在跨CPU进行通信时，可以使用字节对齐来保证唯一性，诸如通讯协议、写驱动程序时候寄存器的结构等。

　　三种对齐方式：

　　1、 自然对齐方式（Natural Alignment）：与该数据类型的大小相等。

　　2、 指定对齐方式 ：

#pragma pack(8) file://指定Align为 8；
#pragma pack() file://恢复到原先值

　　3、 实际对齐方式：

Actual Align = min ( Order Align, Natual Align )

　　对于复杂数据类型（比如结构等）：实际对齐方式是其成员最大的实际对齐方式：

Actual Align = max( Actual align1,2,3，…)

　　编译器的填充规律：

　　1、 成员为成员Actual Align的整数倍，在前面加Padding。

　　成员Actual Align = min( 结构Actual Align，设定对齐方式)

　　2、 结构为结构Actual Align的整数倍，在后面加Padding.

　　例子分析：

#pragma pack(8) file://指定Align为 8
struct STest1
{
char ch1;
long lo1;
char ch2;
} test1;
#pragma pack()

　　现在

Align of STest1 = 4 , sizeof STest1 = 12 ( 4 * 3 )

　　test1在内存中的排列如下（ FF 为 padding ）：

00 -- -- -- 04 -- -- -- 08 -- -- -- 12 -- -- --
01 FF FF FF 01 01 01 01 01 FF FF FF
ch1 -- lo1 -- ch2
#pragma pack(2) file://指定Align为 2
struct STest2
{
char ch3;
STest1 test;
} test2;
#pragma pack()

　　现在 Align of STest1 = 2, Align of STest2 = 2 , sizeof STest2 = 14 ( 7 * 2 )

　　test2在内存中的排列如下：

00 -- -- -- 04 -- -- -- 08 -- -- -- 12 -- -- --
02 FF 01 FF FF FF 01 01 01 01 01 FF FF FF
ch3 ch1 -- lo1 -- ch2

　　注意事项：

　　1、 这样一来，编译器无法为特定平台做优化，如果效率非常重要，就尽量不要使用#pragma pack，如果必须使用，也最好仅在需要的地方进行设置。

　　2、 需要加pack的地方一定要在定义结构的头文件中加，不要依赖命令行选项，因为如果很多人使用该头文件，并不是每个人都知道应该pack。这特别表现在为别人开发库文件时，如果一个库函数使用了struct作为其参数，当调用者与库文件开发者使用不同的pack时，就会造成错误，而且该类错误很不好查。

　　3、 在VC及BC提供的头文件中，除了能正好对齐在四字节上的结构外，都加了pack，否则我们编的Windows程序哪一个也不会正常运行。

　　4、 在 #pragma pack(n) 后一定不要include其他头文件，若包含的头文件中改变了align值，将产生非预期结果。

　　5、 不要多人同时定义一个数据结构。这样可以保证一致的pack值。

　　问题：按位运算符

　　C语言和其它高级语言不同的是它完全支持按位运算符。这与汇编语言的位操作有些相似。 C中按位运算符列出如下:

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
操作符 作用
────────────────────────────
& 位逻辑与
位逻辑或
^ 位逻辑异或
- 位逻辑反
>> 右移
<< 左移
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

　　注意：

　　1、 按位运算是对字节或字中的实际位进行检测、设置或移位, 它只适用于字符型和整数型变量以及它们的变体, 对其它数据类型不适用。

　　2、 关系运算和逻辑运算表达式的结果只能是1或0。 而按位运算的结果可以取0或1以外的值。 要注意区别按位运算符和逻辑运算符的不同, 例如, 若x=7, 则x&&8 的值为真(两个非零值相与仍为非零), 而x&8的值为0。

　　3、 与 ，&与&&，~与! 的关系

　　&、 和 ~ 操作符把它们的操作数当作一个为序列，按位单独进行操作。比如：10 & 12 = 8，这是因为"&"操作符把 10 和 12 当作二进制描述 1010 和 1100 ，所以只有当两个操作数的相同位同时为 1 时，产生的结果中相应位才为 1 。同理，10 12 = 14 ( 1110 )，通过补码运算，~10 = -11 ( 11...110101 )。<以多少为一个位序列> &&、 和！操作符把它们的操作数当作"真"或"假"，并且用 0 代表"假"，任何非 0 值被认为是"真"。它们返回 1 代表"真"，0 代表"假"，对于"&&"和""操作符，如果左侧的操作数的值就可以决定表达式的值，它们根本就不去计算右侧的操作数。所以，!10 是 0 ，因为 10 非 0 ；10 && 12 是 1 ，因为 10 和 12 均非 0 ；10 12也是 1 ，因为 10 非 0 。并且，在最后一个表达式中，12 根本就没被计算，在表达式 10 f( ) 中也是如此。