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C語(yǔ)言的底層操作
C語(yǔ)言的內(nèi)存模型基本上對(duì)應(yīng)了現(xiàn)在von Neumann（馮·諾伊曼）計(jì)算機(jī)的實(shí)際存儲(chǔ)模型，很好的達(dá)到了對(duì)機(jī)器的映射，這是C/C++適合做底層開發(fā)的主要原因，另外，C語(yǔ)言適合做底層開發(fā)還有另外一個(gè)原因，那就是C語(yǔ)言對(duì)底層操作做了很多的的支持，提供了很多比較底層的功能。下面就來和小編一起看看C語(yǔ)言的底層操作吧。
下面結(jié)合問題分別進(jìn)行闡述。
問題：移位操作
在運(yùn)用移位操作符時(shí)，有兩個(gè)問題必須要清楚：
(1)、在右移操作中，騰空位是填 0 還是符號(hào)位；
(2)、什么數(shù)可以作移位的位數(shù)。
答案與分析：
">>"和"<<"是指將變量中的每一位向右或向左移動(dòng), 其通常形式為:
右移: 變量名>>移位的位數(shù)
左移: 變量名<<移位的位數(shù)
經(jīng)過移位后, 一端的位被"擠掉",而另一端空出的位以0 填補(bǔ),在C語(yǔ)言中的移位不是循環(huán)移動(dòng)的。
(1) 第一個(gè)問題的答案很簡(jiǎn)單，但要根據(jù)不同的情況而定。如果被移位的是無符號(hào)數(shù)，則填 0 。如果是有符號(hào)數(shù)，那么可能填 0 或符號(hào)位。如果你想解決右移操作中騰空位的填充問題，就把變量聲明為無符號(hào)型，這樣騰空位會(huì)被置 0。
(2) 第二個(gè)問題的答案也很簡(jiǎn)單：如果移動(dòng) n 位，那么移位的位數(shù)要不小于 0 ，并且一定要小于 n 。這樣就不會(huì)在一次操作中把所有數(shù)據(jù)都移走。
比如，如果整型數(shù)據(jù)占 32 位，n 是一整型數(shù)據(jù)，則 n << 31 和 n << 0 都合法，而 n << 32 和 n << -1 都不合法。
注意即使騰空位填符號(hào)位，有符號(hào)整數(shù)的右移也不相當(dāng)與除以 。為了證明這一點(diǎn)，我們可以想一下 -1 >> 1 不可能為 0 。
問題：位段結(jié)構(gòu)
| struct RPR_ATD_TLV_HEADER { ULONG res1:6; ULONG type:10; ULONG res1:6; ULONG length:10; }; |
位段結(jié)構(gòu)是一種特殊的結(jié)構(gòu), 在需按位訪問一個(gè)字節(jié)或字的多個(gè)位時(shí), 位結(jié)構(gòu)比按位運(yùn)算符更加方便。
位結(jié)構(gòu)定義的一般形式為:
| struct位結(jié)構(gòu)名{ 數(shù)據(jù)類型 變量名: 整型常數(shù); 數(shù)據(jù)類型 變量名: 整型常數(shù); } 位結(jié)構(gòu)變量; |
其中: 整型常數(shù)必須是非負(fù)的整數(shù), 范圍是0~15, 表示二進(jìn)制位的個(gè)數(shù), 即表示有多少位。
變量名是選擇項(xiàng), 可以不命名, 這樣規(guī)定是為了排列需要。
例如: 下面定義了一個(gè)位結(jié)構(gòu)。
| struct{ unsigned incon: 8; /*incon占用低字節(jié)的0~7共8位*/ unsigned txcolor: 4;/*txcolor占用高字節(jié)的0~3位共4位*/ unsigned bgcolor: 3;/*bgcolor占用高字節(jié)的4~6位共3位*/ unsigned blink: 1; /*blink占用高字節(jié)的第7位*/ }ch; |
位結(jié)構(gòu)成員的訪問與結(jié)構(gòu)成員的訪問相同。
例如: 訪問上例位結(jié)構(gòu)中的bgcolor成員可寫成:
| ch.bgcolor |
位結(jié)構(gòu)成員可以與其它結(jié)構(gòu)成員一起使用。 按位訪問與設(shè)置，方便&節(jié)省
例如:
| struct info{ char name[8]; int age; struct addr address; float pay; unsigned state: 1; unsigned pay: 1; }workers;' |
上例的結(jié)構(gòu)定義了關(guān)于一個(gè)工從的信息。其中有兩個(gè)位結(jié)構(gòu)成員, 每個(gè)位結(jié)構(gòu)成員只有一位, 因此只占一個(gè)字節(jié)但保存了兩個(gè)信息, 該字節(jié)中第一位表示工人的狀態(tài), 第二位表示工資是否已發(fā)放。由此可見使用位結(jié)構(gòu)可以節(jié)省存貯空間。
注意不要超過值限制
問題：字節(jié)對(duì)齊
我在使用VC編程的過程中，有一次調(diào)用DLL中定義的結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)覺結(jié)構(gòu)都亂掉了，完全不能讀取正確的值，后來發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)镈LL和調(diào)用程序使用的字節(jié)對(duì)齊選項(xiàng)不同，那么我想問一下，字節(jié)對(duì)齊究竟是怎么一回事？
答案與分析：
關(guān)于字節(jié)對(duì)齊：
1、 當(dāng)不同的結(jié)構(gòu)使用不同的字節(jié)對(duì)齊定義時(shí)，可能導(dǎo)致它們之間交互變得很困難。
2、 在跨CPU進(jìn)行通信時(shí)，可以使用字節(jié)對(duì)齊來保證唯一性，諸如通訊協(xié)議、寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)候寄存器的結(jié)構(gòu)等。
三種對(duì)齊方式：
1、 自然對(duì)齊方式（Natural Alignment）：與該數(shù)據(jù)類型的大小相等。
2、 指定對(duì)齊方式 ：
| #pragma pack(8) //指定Align為 8； #pragma pack() //恢復(fù)到原先值 |
3、 實(shí)際對(duì)齊方式：
| Actual Align = min ( Order Align, Natual Align ) |
對(duì)于復(fù)雜數(shù)據(jù)類型（比如結(jié)構(gòu)等）：實(shí)際對(duì)齊方式是其成員最大的實(shí)際對(duì)齊方式：
| Actual Align = max( Actual align1,2,3，…) |
編譯器的填充規(guī)律：
1、 成員為成員Actual Align的整數(shù)倍，在前面加Padding。
成員Actual Align = min( 結(jié)構(gòu)Actual Align，設(shè)定對(duì)齊方式)
2、 結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)Actual Align的整數(shù)倍，在后面加Padding.
例子分析：
| #pragma pack(8) //指定Align為 8 struct STest1 { char ch1; long lo1; char ch2; } test1; #pragma pack() |
現(xiàn)在
| Align of STest1 = 4 , sizeof STest1 = 12 ( 4 * 3 ) |
test1在內(nèi)存中的排列如下（ FF 為 padding ）：
| 00 -- -- -- 04 -- -- -- 08 -- -- -- 12 -- -- -- 01 FF FF FF 01 01 01 01 01 FF FF FF ch1 -- lo1 -- ch2 #pragma pack(2) //指定Align為 2 struct STest2 { char ch3; STest1 test; } test2; #pragma pack() |
現(xiàn)在 Align of STest1 = 2, Align of STest2 = 2 , sizeof STest2 = 14 ( 7 * 2 )
test2在內(nèi)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 |
注意事項(xiàng)：
1、 這樣一來，編譯器無法為特定平臺(tái)做優(yōu)化，如果效率非常重要，就盡量不要使用#pragma pack，如果必須使用，也最好僅在需要的地方進(jìn)行設(shè)置。
2、 需要加pack的地方一定要在定義結(jié)構(gòu)的頭文件中加，不要依賴命令行選項(xiàng)，因?yàn)槿绻芏嗳耸褂迷擃^文件，并不是每個(gè)人都知道應(yīng)該pack。這特別表現(xiàn)在為別人開發(fā)庫(kù)文件時(shí)，如果一個(gè)庫(kù)函數(shù)使用了struct作為其參數(shù)，當(dāng)調(diào)用者與庫(kù)文件開發(fā)者使用不同的pack時(shí)，就會(huì)造成錯(cuò)誤，而且該類錯(cuò)誤很不好查。
3、 在VC及BC提供的頭文件中，除了能正好對(duì)齊在四字節(jié)上的結(jié)構(gòu)外，都加了pack，否則我們編的Windows程序哪一個(gè)也不會(huì)正常運(yùn)行。
4、 在 #pragma pack(n) 后一定不要include其他頭文件，若包含的頭文件中改變了align值，將產(chǎn)生非預(yù)期結(jié)果。
5、 不要多人同時(shí)定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣可以保證一致的pack值。
問題：按位運(yùn)算符
C語(yǔ)言和其它高級(jí)語(yǔ)言不同的是它完全支持按位運(yùn)算符。這與匯編語(yǔ)言的位操作有些相似。 C中按位運(yùn)算符列出如下:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
操作符 作用
────────────────────────────
& 位邏輯與
| 位邏輯或
^ 位邏輯異或
- 位邏輯反
>> 右移
<< 左移
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
注意：
1、 按位運(yùn)算是對(duì)字節(jié)或字中的實(shí)際位進(jìn)行檢測(cè)、設(shè)置或移位, 它只適用于字符型和整數(shù)型變量以及它們的變體, 對(duì)其它數(shù)據(jù)類型不適用。
2、 關(guān)系運(yùn)算和邏輯運(yùn)算表達(dá)式的結(jié)果只能是1或0。 而按位運(yùn)算的結(jié)果可以取0或1以外的值。 要注意區(qū)別按位運(yùn)算符和邏輯運(yùn)算符的不同, 例如, 若x=7, 則x&&8 的值為真(兩個(gè)非零值相與仍為非零), 而x&8的值為0。
3、 | 與 ||，&與&&，~與! 的關(guān)系
&、| 和 ~ 操作符把它們的操作數(shù)當(dāng)作一個(gè)為序列，按位單獨(dú)進(jìn)行操作。比如：10 & 12 = 8，這是因?yàn)?quot;&"操作符把 10 和 12 當(dāng)作二進(jìn)制描述 1010 和 1100 ，所以只有當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)的相同位同時(shí)為 1 時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)果中相應(yīng)位才為 1 。同理，10 | 12 = 14 ( 1110 )，通過補(bǔ)碼運(yùn)算，~10 = -11 ( 11...110101 )。<以多少為一個(gè)位序列> &&、|| 和！操作符把它們的操作數(shù)當(dāng)作"真"或"假"，并且用 0 代表"假"，任何非 0 值被認(rèn)為是"真"。它們返回 1 代表"真"，0 代表"假"，對(duì)于"&&"和"||"操作符，如果左側(cè)的操作數(shù)的值就可以決定表達(dá)式的值，它們根本就不去計(jì)算右側(cè)的操作數(shù)。所以，!10 是 0 ，因?yàn)?10 非 0 ；10 && 12 是 1 ，因?yàn)?10 和 12 均非 0 ；10 || 12也是 1 ，因?yàn)?10 非 0 。并且，在最后一個(gè)表達(dá)式中，12 根本就沒被計(jì)算，在表達(dá)式 10 || f( ) 中也是如此。
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