C 语言之二 底层操作

jiuzhuaxiong

2008-01-24 11:05
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">移位的位数
　　左移: 变量名> 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) //指定Align为 8；
#pragma pack() //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) //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) //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
&&、|| 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。


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