面试官：你能用Go写段代码判断当前系统的存储方式吗？

前言

哈喽，大家好，我是asong。今天想与大家聊一聊计算机硬件中的两种储存数据的方式：大端字节序（big endian）、小端字节序（little endian）。老实说，我第一次知道这个概念还是在学习单片机的时候，不过当时学完就忘了，真正长记性是在面试的时候，面试官问我：你能用C语言写段代码判断机器的字节序吗？你一定好奇为什么要用C语言写，傻瓜，这是我大学的时候面试嵌入式岗位呀。扯远啦，其实当时的我是懵逼的，早就忘了什么大端、小端了，所以遗憾的错过嵌入式行业，进入了互联网行业（手动狗头）。

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为什么有大小端之分

我一直都不理解，为什么要有大小端区分，尤其是小端，总是会忘记，因为他不符合人类的思维习惯，但存在即为合理，存在就有他存在的价值。这里有一个比较合理的解释：计算机中电路优先处理低位字节，效率比较高，因为计算机都是从低位开始的，所以计算机内部处理都是小端字节序。但是我们平常读写数值的方法，习惯用大端字节序，所以除了计算机的内部，其他场景大都是大端字节序，比如：网络传输和文件储存时都是用的大端字节序。

所以大小端问题很可能与硬件或者软件的创造者们有关，实际在计算机工业应用上，不同的操作系统和不同的芯片类型都有所不同。不同的系统设计不同，所以我们也没必要深究为什么要有这个区分，只需要知道他们的原理就好了。

什么是大端、小端

大端模式：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;

小端模式：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；

这么说也有点模糊，还是配个图来看更清晰：

我们来看一看数值0x1A2B3C4D在大端与小端的表现形式，这里我们假设地址是从0x4000开始：

上图所示：大端和小端的字节序最小单位是1字节(8bit)，大端字节序就和我们平时的写法顺序一样，从低地址到高地址写入0x1A2B3C4D，而小端字节序就是我们平时的写法反过来，因为字节序最小单位为1字节，所以从低地址到高地址写入0x4D3C2B1A。

因为大端、小端很容易混记，所以分享一个我自己记忆的小技巧：

大端：高低高低，也就是高位字节排放在内存低地址端，高地址端存在低位字节；

小端：高高低低；也就是高位字节排放在内存的高地址端，低位字节排放在内存的低地址端；

如何使用`Go`区分大小端

计算机处理字节序的时候，不知道什么是高位字节，什么是低位字节。它只知道按顺序读取字节，先读取第一个字节，再读取第二个字节，所以说我就可以根据这个特性来读判断大小端。

在使用Go语言实现之前，还是想再用C语言实现一遍，因为这是我一生的痛，毕竟在面试的时候没写出来。

可以利用C语言中union各字段共享内存的特性，union型数据所占的空间等于其最大的成员所占的空间，对 union 型的成员的存取都是相对于该联合体基地址的偏移量为 0 处开始，也就是联合体的访问不论对哪个变量的存取都是从 union 的首地址位置开始，联合是一个在同一个存储空间里存储不同类型数据的数据类型。这些存储区的地址都是一样的，联合里不同存储区的内存是重叠的，修改了任何一个其他的会受影响。所以我们可写出代码如下：

#include "stdio.h"


// big_endian: 1 
// little_endian: 2
int IsLittleEndian() {
    union {
        short value;
        char array[2];
    } u;
    u.value = 0x0102;
    if (u.array[0] == 1 && u.array[1] == 2){
        return 1;
    }else if (u.array[0] == 2 && u.array[1] == 1){
        return 2;
    }
    return -1;
}

int main() {
    
    int res;
    res = IsLittleEndian();
    printf("result is %dn",res);
    if (res == 1) {
        printf("it is big endian");
    }
    if (res == 2){
        printf("it is little endian");
    }
    return 0;
}

// 运行结果(不同系统运行结果会有不同)
result is 2
it is little endian%

现在我们来思考一下，怎么用Go语言验证大小端，Go中是没有union这个关键字，那就要另辟蹊径，换一个方法来实现啦，我们可以通过将int32类型(4字节)强制转换成byte类型(单字节)，判断起始存储位置内容来实现，因为Go不支持强制类型转换，我们可以借助unsafe包达到我们的要求，写出代码如下：

package main

import (
 "fmt"
 "unsafe"
)

func IsLittleEndian()  bool{
 var value int32 = 1 // 占4byte 转换成16进制 0x00 00 00 01 
  // 大端(16进制)：00 00 00 01
  // 小端(16进制)：01 00 00 00
 pointer := unsafe.Pointer(&value)
 pb := (*byte)(pointer)
 if *pb != 1{
  return false
 }
 return true
}

func main()  {
 fmt.Println(IsLittleEndian())
}
// 运行结果：ture

大小端字节序转化

这里大家可能会有疑惑，为什么要有大小端转化，这是因为在涉及到网络传输、文件存储时，因为不同系统的大小端字节序不同，这是就需要大小端转化，才能保证读取到的数据是正确的。我在大学时做arm和dsp通信的时候，就遇到个大小端转换的问题，因为arm是小端，dsp是大端，所以在不了解这个知识点的时候，通信的数据就是乱的，导致我调试了好久。

大小端的转换其实还算比较简单，通过位操作就可以实现，这里我们用uint32类型作为例子：

func SwapEndianUin32(val uint32)  uint32{
 return (val & 0xff000000) >> 24 | (val & 0x00ff0000) >> 8 |
  (val & 0x0000ff00) << 8 | (val & 0x000000ff) <<24
}

是的，你没看错，就是这么简单，这里也很简单，就不细讲了。

其实go官方库encoding/binary中已经提供了大小端使用的库，我们要想进行大小端转换，完全可以使用官方库，没必要自己造轮子。我们看一下这个库怎么使用：

// use encoding/binary
// bigEndian littleEndian
func BigEndianAndLittleEndianByLibrary()  {
 var value uint32 = 10
 by := make([]byte,4)
 binary.BigEndian.PutUint32(by,value)
 fmt.Println("转换成大端后 ",by)
 fmt.Println("使用大端字节序输出结果：",binary.BigEndian.Uint32(by))
 little := binary.LittleEndian.Uint32(by)
 fmt.Println("大端字节序使用小端输出结果：",little)
}
// 结果：
转换成大端后  [0 0 0 10]
使用大端字节序输出结果： 10
大端字节序使用小端输出结果： 167772160

`grpc`中对大端的应用

大家对gRPC一定很熟悉，最近在看gRPC源码时，看到gRPC封装message时，在封装header时，特意指定了使用大端字节序，源码如下：

// msgHeader returns a 5-byte header for the message being transmitted and the
// payload, which is compData if non-nil or data otherwise.
func msgHeader(data, compData []byte) (hdr []byte, payload []byte) {
 hdr = make([]byte, headerLen)
 if compData != nil {
  hdr[0] = byte(compressionMade)
  data = compData
 } else {
  hdr[0] = byte(compressionNone)
 }

 // Write length of payload into buf
 binary.BigEndian.PutUint32(hdr[payloadLen:], uint32(len(data)))
 return hdr, data
}

结尾

在本文的最后我们再来做一下总结：

大端小端是不同的字节顺序存储方式，统称为字节序
大端：是指数据的高字节位保存在内存的低地址中，而数据的低字节位保存在内存的高地址中。这样的存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理：地址由小向大增加，而数据从高位往低位放。和我们”从左到右“阅读习惯一致。
小端：是指数据的高字节位保存在内存的高地址中，而数据的低字节位保存在内存的低地址中。这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低，和我们的逻辑方法一致
区分：计算机处理字节序的时候，不知道什么是高位字节，什么是低位字节。它只知道按顺序读区字节，先读取第一个字节，再读取第二个字节，所以说我就可以根据这个特性来读判断大小端。
转换：通过位操作就可以实现，具体可以使用标准库encoding/binary；

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发表于 2021-06-14 11:35:12
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分类：面试题