水滴石穿C語言之C語言的底層操作

2019-11-17 05:12:25

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概述

　　C語言的內存模型基本上對應了現在von Neumann（馮·諾伊曼）計算機的實際存儲模型，很好的達到了對機器的映射，這是C/C++適合做底層開發的主要原因，另外，C語言適合做底層開發還有另外一個原因，那就是C語言對底層操作做了很多的的支持，

提供了很多比較底層的功能。

　　下面結合問題分別進行闡述。

　　問題：移位操作

　　在運用移位操作符時，有兩個問題必須要清楚：

　　(1)、在右移操作中，騰空位是填 0 還是符號位；

　　(2)、什么數可以作移位的位數。

　　答案與分析：

　　">>"和"<<"是指將變量中的每一位向右或向左移動, 其通常形式為:

　　右移: 變量名>>移位的位數

　　左移: 變量名<<移位的位數

　　經過移位后, 一端的位被"擠掉",而另一端空出的位以0 填補,在C語言中的移位不是循環移動的。

　　(1) 第一個問題的答案很簡單，但要根據不同的情況而定。假如被移位的是無符號數，則填 0 。假如是有符號數，那么可能填 0 或符號位。假如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型，這樣騰空位會被置 0。

　　(2) 第二個問題的答案也很簡單：假如移動 n 位，那么移位的位數要不小于 0 ，并且一定要小于 n 。這樣就不會在一次操作中把所有數據都移走。

　　比如，假如整型數據占 32 位，n 是一整型數據，則 n << 31 和 n << 0 都合法，而 n << 32 和 n << -1 都不合法。

　　注重即使騰空位填符號位，有符號整數的右移也不相當與除以。為了證實這一點，我們可以想一下 -1 >> 1 不可能為 0 。

　　問題：位段結構

strUCt RPR_ATD_TLV_HEADER
{
ULONG res1:6;
ULONG type:10;
ULONG res1:6;
ULONG length:10;
};
　　位段結構是一種非凡的結構, 在需按位訪問一個字節或字的多個位時, 位結構比按位運算符更加方便。

　　位結構定義的一般形式為:

struct位結構名{
　數據類型變量名: 整型常數;
　數據類型變量名: 整型常數;
} 位結構變量;
　　其中: 整型常數必須是非負的整數, 范圍是0~15, 表示二進制位的個數, 即表示有多少位。

　　變量名是選擇項, 可以不命名, 這樣規定是為了排列需要。

　　例如: 下面定義了一個位結構。

struct{
　unsigned incon: 8; /*incon占用低字節的0~7共8位*/
　unsigned txcolor: 4;/*txcolor占用高字節的0~3位共4位*/
　unsigned bgcolor: 3;/*bgcolor占用高字節的4~6位共3位*/
　unsigned blink: 1; /*blink占用高字節的第7位*/
}ch;
　　位結構成員的訪問與結構成員的訪問相同。

　　例如: 訪問上例位結構中的bgcolor成員可寫成:

ch.bgcolor
　　位結構成員可以與其它結構成員一起使用。按位訪問與設置，方便&節省

　　例如:

struct info{
　char name[8];
　int age;
　struct addr address;
　float pay;
　unsigned state: 1;
　unsigned pay: 1;
}workers;'
　　上例的結構定義了關于一個工從的信息。其中有兩個位結構成員, 每個位結構成員只有一位, 因此只占一個字節但保存了兩個信息, 該字節中第一位表示工人的狀態, 第二位表示工資是否已發放。由此可見使用位結構可以節省存貯空間。

　　注重不要超過值限制

　　問題：字節對齊

　　我在使用VC編程的過程中，有一次調用DLL中定義的結構時，發覺結構都亂掉了，完全不能讀取正確的值，后來發現這是因為DLL和調用程序使用的字節對齊選項不同，那么我想問一下，字節對齊究竟是怎么一回事？

　　答案與分析：

　　關于字節對齊：

　　1、當不同的結構使用不同的字節對齊定義時，可能導致它們之間交互變得很困難。

　　2、在跨CPU進行通信時，可以使用字節對齊來保證唯一性，諸如通訊協議、寫驅動程序時候寄存器的結構等。

　　三種對齊方式：

　　1、自然對齊方式（Natural Alignment）：與該數據類型的大小相等。

　　2、指定對齊方式：

#pragma pack(8) //指定Align為 8；
#pragma pack() //恢復到原先值
　　3、實際對齊方式：

Actual Align = min ( Order Align, Natual Align )
　　對于復雜數據類型（比如結構等）：實際對齊方式是其成員最大的實際對齊方式：

Actual Align = max( Actual align1,2,3，…)
　　編譯器的填充規律：

　　1、成員為成員Actual Align的整數倍，在前面加Padding。

　　成員Actual Align = min( 結構Actual Align，設定對齊方式)

　　2、結構為結構Actual Align的整數倍，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()
　　現在

Align of STest1 = 4 , sizeof STest1 = 12 ( 4 * 3 )
　　test1在內存中的排列如下（ 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()
　　現在 Align of STest1 = 2, Align of STest2 = 2 , sizeof STest2 = 14 ( 7 * 2 )

　　test2在內存中的排列如下：

00 -- -- -- 04 -- -- -- 08 -- -- -- 12 -- -- --
02 FF 01 FF FF FF 01 01 01 01 01 FF FF FF
ch3 ch1 -- lo1 -- ch2
　　注重事項：

　　1、這樣一來，編譯器無法為特定平臺做優化，假如效率非常重要，就盡量不要使用#pragma pack，假如必須使用，也最好僅在需要的地方進行設置。

　　2、需要加pack的地方一定要在定義結構的頭文件中加，不要依靠命令行選項，因為假如很多人使用該頭文件，并不是每個人都知道應該pack。這非凡表現在為別人開發庫文件時，假如一個庫函數使用了struct作為其參數，當調用者與庫文件開發者使用不同的pack時，就會造成錯誤，而且該類錯誤很不好查。

　　3、在VC及BC提供的頭文件中，除了能正好對齊在四字節上的結構外，都加了pack，否則我們編的Windows程序哪一個也不會正常運行。

　　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，將產生非預期結果。

　　5、不要多人同時定義一個數據結構。這樣可以保證一致的pack值。

　　問題：按位運算符

　　C語言和其它高級語言不同的是它完全支持按位運算符。這與匯編語言的位操作有些相似。 C中按位運算符列出如下:

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
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
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

　　注重：

　　1、按位運算是對字節或字中的實際位進行檢測、設置或移位, 它只適用于字符型和整數型變量以及它們的變體, 對其它數據類型不適用。

　　2、關系運算和邏輯運算表達式的結果只能是1或0。而按位運算的結果可以取0或1以外的值。要注重區別按位運算符和邏輯運算符的不同, 例如, 若x=7, 則x&&8 的值為真(兩個非零值相與仍為非零), 而x&8的值為0。

　　3、與，&與&&，~與! 的關系

　　&、和 ~ 操作符把它們的操作數當作一個為序列，按位單獨進行操作。比如：10 & 12 = 8，這是因為"&"操作符把 10 和 12 當作二進制描述 1010 和 1100 ，所以只有當兩個操作數的相同位同時為 1 時，產生的結果中相應位才為 1 。同理，10 12 = 14 ( 1110 )，通過補碼運算，~10 = -11 ( 11...110101 )。<以多少為一個位序列> &&、和！操作符把它們的操作數當作"真"或"假"，并且用 0 代表"假"，任何非 0 值被認為是"真"。它們返回 1 代表"真"，0 代表"假"，對于"&&"和""操作符，假如左側的操作數的值就可以決定表達式的值，它們根本就不去計算右側的操作數。所以，!10 是 0 ，因為 10 非 0 ；10 && 12 是 1 ，因為 10 和 12 均非 0 ；10 12也是 1 ，因為 10 非 0 。并且，在最后一個表達式中，12 根本就沒被計算，在表達式 10 f( ) 中也是如此。