大端和小端传输字节序

大端和小端

在计算机中是以字节为单位，每一个地址对应一个字节，一个字节8bit。在C中，除了8bit的char以外，还有16bit的short，32位的int，64位long，当然具体要由编译器决定，可以通过sizeof来获取不同类型在内存中占用的字节数。在计算机系统中，当物理单位的长度大于1个字节时，就要区分字节顺序。常见的字节顺序有两种：Big Endian(High-byte first) 和 Litter Endian(Low-byte first)，当然还有其他字节顺序，但不常见，例如Middle Endian。

一、最高有效位、最低有效位

要理解Big Endian和Little Endian，首先要搞清楚MSB和LSB。

1.MSB(Most significant Bit)最高有效位

在一个n位二进制数字中n-1位，也就是最左边的位。

2.LSB(Least Significant Bit)最低有效位

指最右边的位。
例如：一个int类型的整形123456789
二进制表达方式： 0000 0111 0101 1011 1100 1101 0001 0101(从右向左，每4bit对齐，最左边(高位)不够用0补齐)
十六进制表达方式：0 7 5 B C D 1 5
按照上述关于MSB和LSB的意思，在二进制表达方式中，bit从0开始，从右向左，bit 0位最低有效位，而bit 23为最高有效位。而我们一般称左边的0x07为高位字节，0x15为低位字节。
再通俗一点解释就是：8421的，8这端为高位，1这端为低位，相应的字节则分别称为高位字节和低位字节。

二、内存地址

在内存中，多字节对象都是被存储为连续的字节序列。例如在C语言中，一个类型为int的变量n，如果其存储的首个字节的地址为0x1000，那么剩余3个字节地址将存储在0x1001~0x1003。总之，不管具体字节顺序是以什么方式排列，内存地址的分配一般是从小到大的增长。 我们常把0x1000称为低地址端，把0x1003称为高地址端。

三、大端和小端

搞清楚MSB、LSB、高位字节、低位字节之后，再理解大端和小端，就相当容易了，先看看概念：
小端Little Endian：低字节存放在低地址，低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
大端Big Endian：高字节存放在低地址，即高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
以二节中的例子int类型整数123456789位例：
小端在内存中排列： 0x15 0xCD 0x5B 0x07(低位在前)
大端在内存中排列： 0x07 0x5B 0xCD 0x15(高位在前)
从例子中可以看出小端比较符合人的思维，而大端则看上去非常直观。
注：

1. 例子中是假设编译器支持int为32位的前提下，如果是16位，那大端的排列则为0xCD 0x15 0x07 0x5B
2. 大小端一般是由CPU架构决定，常见的Intel、AMD的CPU使用的是小端字节，而PowerPC使用的是大端字节序，有些ARM处理器还可以选择大端还是小端模式，具体自行查阅。
3. C#中，字节序跟编译平台所在的CPU相关，例如在Intel x86 CPU架构的windows平台中，C#采用的小端序。而Java由于JVM屏蔽不了不同CPU架构导致额字节序差异，所以默认采用大端字节。所以，大小端模式是由CPU决定，而编译器又可能会改变这种模式。

四、网络字节序和主机字节序

网络字节序(Network Order)：TCP/IP各层协议将字节序定义为Big Endian，因此TCP/IP协议中的字节序同称之为网络字节序。
主机字节序(Host Order)：整数在内存中保存的顺序，它遵循Little Endian规则(不一定，要看主机的CPU架构)。所以当两台主机之间要通过TCP/IP协议进行通信的时候就需要调用相应的函数进行主机序列(Little Endian)和网络序(Big Endian)的转换。
如果是做跨平台开发时，双方需要协商好字节序，然后根据程序运行的环境，确定是否需要字节序转换。
例如约定的通讯字节序位是Big Endian，默认的window采用的Little Endian，那收到数据后就需要做转换操作。

五、C#位操作符

这里简单记录一下C#位操作符，方便以后自己查阅，也方便理解后面的讲解。

1. 按位与&
   1&0为0；0&0为0；1&1为1
2. 按位与|
   1|0为1；0|0为0；1|1为1
3. 按位取反~
   ~1为0； ~0为1；
4. 按位异或^
   1^1为0； 0^0为0； 1^0为1；
5. 左移<<
   位左移运算，将整个数向左移若干位，左移后空出的部分0补齐
6. 右移>>
   位右移运算，将整个数向右移若干位，右移后空出的部分用0补齐

六、C#中关于大端和小端的转换

1. 重复轮子

using System;

namespace Framework.NetPackage.Common
{
    /// <summary>
    /// 字节序转换辅助类
    /// </summary>
    public static class Endian
    {
        public static short SwapInt16(this short n)
        {
            return (short)(((n & 0xff) << 8) | ((n >> 8) & 0xff));
        }

        public static ushort SwapUInt16(this ushort n)
        {
            return (ushort)(((n & 0xff) << 8) | ((n >> 8) & 0xff));
        }

        public static int SwapInt32(this int n)
        {
            return (int)(((SwapInt16((short)n) & 0xffff) << 0x10) |
                          (SwapInt16((short)(n >> 0x10)) & 0xffff));
        }

        public static uint SwapUInt32(this uint n)
        {
            return (uint)(((SwapUInt16((ushort)n) & 0xffff) << 0x10) |
                           (SwapUInt16((ushort)(n >> 0x10)) & 0xffff));
        }

        public static long SwapInt64(this long n)
        {
            return (long)(((SwapInt32((int)n) & 0xffffffffL) << 0x20) |
                           (SwapInt32((int)(n >> 0x20)) & 0xffffffffL));
        }

        public static ulong SwapUInt64(this ulong n)
        {
            return (ulong)(((SwapUInt32((uint)n) & 0xffffffffL) << 0x20) |
                            (SwapUInt32((uint)(n >> 0x20)) & 0xffffffffL));
        }
    }
}

2. BCL库支持的函数
   System.Net.IPaddress.HostToNetworkOrder、System.Net.IPAddress.NetworkToHostOrder，这两个函数的内容实现和上面重复轮子原理一样。

七、关于负数

在计算机中，负数以及其绝对值的补码形式表示，不明白可以查阅九中贴出的相关资源。关于负数的字节序跟一般整数的字节序处理没有任何区别。

八、关于汉字编码以及与字节序的关系

1. 对于gb2312、gbk、gb1&8030、bigs，其编码某个汉字产生的字节顺序，由某编码方案本身决定，不受CPU字节序的影响。其实这几种编码的字节序和大端模式的顺序是一致的。
   
2. UTF-8
   UTF-8和gb系列编码一样，其编码某个汉字产生的字节顺序，由其编码方案决定，不受CPU字节序的影响。无论一个汉字有多少个字节，它的字节序与编码顺序保持一致。
   
3. Unicode

Unicode只是一个符号集，它只规定了符号的二进制代码，却没有规定这个二进制代码应该如何存储。所以他没有要求如何存储编码后的字节，也就受CPU字节序的影响。

Unicode的具体实现包括UTF-16、UTF-32（当然也包括UTF-8，但由于其编码方式和编码后的字节序与其他Unicode编码实现有较大区别，所以单独拿出来讲解的）。

4. 总结

网络通讯

在实际的网络通讯中，网络协议例如TCP是规定网络字节序（Network Order）是大端。而针对汉字具体使用什么编码，通讯双方要么提前约定好，要么就需要在数据包中标识好汉字具体使用的编码。

如果在网络通讯中，涉及例如UTF16这样区分大小端的编码，除非按网络协议要求采用大端模式是，否则也要事先约定好，或者在数据包中标识好使用的字节序模式。

文件

文件的也会存储汉字，当然也要进行编码。如果采用UTF-16这样的有字节序模式区分的编码，编码规则要求可以在文件头部的BOM（Byte Order Mark）来标记。如果没有标记，除非事先知道字节序的模式，否则只能大小端都试一遍。