c語(yǔ)言的底層操作建議

FWW7

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",耳另一端空出的位以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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)，編譯器無(wú)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�很多人使用該頭文件，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。