水滴石穿之C語言的底層操作(移位操作有效位元)

  概述

C語言的記憶體模型基本上對應了現在von Neumann（馮·諾伊曼）電腦的實際儲存模型，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援，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)、什麼數可以作移位的位元。
答案與分析：
">>"和"<<"是指將變數中的每一位向右或向左移動, 其通常形式為:
右移: 變數名>>移位的位元
左移: 變數名<<移位的位元
經過移位後, 一端的位被"擠掉",而另一端空出的位以0 填補,在C語言中的移位不是迴圈移動的。
(1) 第一個問題的答案很簡單，但要根據不同的情況而定。如果被移位的是無符號數，則填 0 。如果是有符號數，那麼可能填 0 或符號位。如果你想解決右移操作中騰空位的填充問題，就把變數聲明為無符號型，這樣騰空位會被置 0。
(2) 第二個問題的答案也很簡單：如果移動 n 位，那麼移位的位元要不小於 0 ，並且一定要小於 n 。這樣就不會在一次操作中把所有資料都移走。
比如，如果整型資料占 32 位，n 是一整型資料，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位，有符號整數的右移也不相當與除以 。為了證明這一點，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;
};

    位段結構是一種特殊的結構, 在需按位訪問一個位元組或字的多個位時, 位結構比按位元運算符更加方便。

    位結構定義的一般形式為:
    struct 位結構名{
資料類型 變數名: 整型常數;
資料類型 變數名: 整型常數;
   } 位結構變數;
其中: 整型常數必須是非負的整數, 範圍是0~15, 表示二進位位的個數, 即表示有多少位。
變數名是選擇項, 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佔用低位元組的0~7共8位*/
    unsigned txcolor: 4;/*txcolor佔用高位元組的0~3位共4位*/   

    unsigned bgcolor: 3;/*bgcolor佔用高位元組的4~6位共3位*/
    unsigned blink: 1; /*blink佔用高位元組的第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。 按位訪問與設定，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於一個工人的資訊。其中有兩個位結構成員, 每個位結構成員只有一位, 因此只佔一個位元組但儲存了兩個資訊, 該位元組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。

注意不要超過值限制

問題：位元組對齊
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，後來發現這是因為DLL和調用程式使用的位元組對齊選項不同，那麼我想問一下，位元組對齊究竟是怎麼一回事？
答案與分析：
關於位元組對齊：
1、 當不同的結構使用不同的位元組對齊定義時，可能導致它們之間互動變得很困難。
2、 在跨CPU進行通訊時，可以使用位元組對齊來保證唯一性，諸如通訊協議、寫驅動程式時候寄存器的結構等。
三種對齊：
1、 自然對齊（Natural Alignment）：與該資料類型的大小相等。
2、 指定對齊 ：

#pragma pack(8) //指定Align為 8；
#pragma pack() //恢複到原先值

3、 實際對齊：
    Actual Align = min ( Order Align, Natual Align )
對於複雜資料類型（比如結構等）：實際對齊是其成員最大的實際對齊：
    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（空）。
成員Actual Align = min( 結構Actual Align，設定對齊)
2、 結構為結構Actual Align的整數倍，在後面加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在記憶體中的排列如下（ 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 )???,這個確實不理解

    test2在記憶體中的排列如下：

    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：
1、 這樣一來，編譯器無法為特定平台做最佳化，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行設定。

    2、 需要加pack的地方一定要在定義結構的標頭檔中加，不要依賴命令列選項，因為如果很多人使用該標頭檔，並不是每個人都知道應該pack。這特別表現在為 別人開發庫檔案時，如果一個庫函數使用了struct作為其參數，當調用者與庫檔案開發人員使用不同的pack時，就會造成錯誤，而且該類錯誤很不好查。
   3、 在VC及BC提供的標頭檔中，除了能正好對齊在四位元組上的結構外，都加了pack，否則我們編的Windows程式哪一個也不會正常運行。
   4、 在 #pragma pack(n) 後一定不要include其他標頭檔，若包含的標頭檔中改變了align值，將產生非預期結果。
   5、 不要多人同時定義一個資料結構。這樣可以保證一致的pack值。

問題：按位元運算符
C語言和其它進階語言不同的是它完全支援按位元運算符。這與組合語言的位操作有些相似。 C中按位元運算符列出如下:
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
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
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
注意：
1、 按位元運算是對位元組或字中的實際位進行檢測、設定或移位, 它只適用於字元型和整數型變數以及它們的變體, 對其它資料類型不適用。
2、 關係運算和邏輯運算運算式的結果只能是1或0。 而按位元運算的結果可以取0或1以外的值。 要注意區別按位元運算符和邏輯運算子的不同, 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! 的關係
| 和 ~ 操作符把它們的運算元當作一個為序列，按位單獨進行操作。比如：10 & 12 = 8，這是因為"&"操作符把 10 和 12 當作二進位描述 1010 和 1100 ，所以只有當兩個運算元的相同位同時為 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！操作符把它們的運算元當作"真"或"假"，並且用 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"，對於"&&"和""操作符，如果左側的運算元的值就可以決定運算式的值，它們根本就不去計算右側的運算元。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 。並且，在最後一個運算式中，12 根本就沒被計算，在運算式 10 f( ) 中也是如此。