大小端序之争

1. 前言

在 C 语言中，内置的基本类型有 char、short、int、long、double 等，对于整型类型来说，还区分 signed 和 unsigned。在 Java 语言中，内置类型也有 char、short、int、long、double 等，只不过 Java 没有 unsigned 类型。char 类型在 C 语言是占用 1 字节长度，而在 Java 语言中占用 2 字节长度。而其他类型不管在 C 语言中，还是在 Java 语言中，都是占用多个字节长度。

我们知道 CPU 访问内存是通过地址总线完成的，一块连续的内存空间是经过编址的，每一个地址编号对应 1 字节长度的内存空间，地址空间是从低地址到高地址增长的。如果要在内存中存储 0xAABBCCDD 这样一个长度为 4 字节的十六进制整数，需要 4 字节的内存空间。内存空间示意如下：

     100  101  102  103  -------> 内存地址由低到高增长的方向
   +----+----+----+----+
   |    |    |    |    |
   +----+----+----+----+

那么 0xAA 是存储在地址编号为 100 的空间呢？还是存储在地址编号为 103 的空间呢？这就是本节要讨论的字节序的问题。

字节序有大端序（Big-Endian）和小端序（Little-Endian）之分。对于前面提到的十六进制整数 0xAABBCCDD 来说，如果按照大端序在内存中存储，那么从低地址到高地址的存储顺序依次是 0xAA、0xBB、0xCC、0xDD；如果按照小端序在内存中存储，那么从低地址到高地址的存储顺序依次是 0xDD、0xCC、0xBB、0xAA。

文字描述还是有些抽象，我们通过一张图来直观感受一下内存字节序。

2. 计算机的字节序

在操作系统课程中，我们学过现代操作系统的内存管理机制是虚拟内存管理机制，对于 32 位系统来说，每一个进程都有 4G（ 2^32）字节长度的虚拟地址空间，也叫线性地址空间。我们先看一张图。

图中用内存地址 0x90000001 ~ 0x9000000A 表示了 10 字节的内存地址空间，每一个地址代表 1 字节的内存。当一个多字节整数存储在内存中时，会涉及到字节序的问题。

我们首先搞清楚两个术语：最高有效位和最低有效位。我们知道，人类习惯的阅读顺序是从左到右，对于一个多位数字来说，经常把它的最左边叫做高位，把它的最右边叫做低位。而在计算机中，对于一个多位数字的描述，也有类似的专业术语，把左边的最高位叫做最高有效位（MSB，most significant bit）；把右边最低位叫做最低有效位（LSB，least significant bit）。

下图展示了在内存中存储 16 进制整数 0xAABBCCDD 的不同方式。图中用内存地址 0x90000000 ~ 0x90000003 表示了长度为 4 字节的内存地址空间。

如果按照小端序来存储，0xAABBCCDD 在内存中从低地址到高地址的存储顺序是 0xDD、0xCC、0xBB、0xAA，存储顺序和人类习惯的阅读顺序是相反的。

如果按照大端序来存储，0xAABBCCDD 在内存中从低地址到高地址的存储顺序是 0xAA、0xBB、0xCC、0xDD，存储顺序和人类习惯的阅读顺序是相同的。可以类比人类的阅读顺序，更容易理解，也便于记忆。

大小端序是由于 CPU 架构的不同导致的，在历史上 IBM System/360 、Motorola 6800 / 6801、SPARC 是大端序；Intel 架构、ARM 架构是小端序。另外，JAVA 存储多字节整数，也是采用大端序。

通过简单的程序，很容易测试出来我们当前系统所采用的字节序类型。

3. 通过 C 程序测试字节序

通过 C 语言程序来测试字节序非常简单，大致思路如下：

• 定义一个整形变量，然后将 0xAABBCCDD 赋值给该变量。
• 按照从低地址到高地址的顺序打印此变量的内容。
• 将打印结果的顺序和 0xAABBCCDD 的顺序进行对比，观察二者的变化。

代码片段如下：

  1 #include <stdio.h>
  2
  3 void check_endian()
  4 {
  5     int n = 0xAABBCCDD;
  6
  7     unsigned char *ptr_n = (unsigned char*)&n;
  8
  9     for (int i=0; i < 4; ++i){
 10         printf("%X\n", *ptr_n++);
 11     }
 12 }

代码中有两个需要注意的地方：

Tips：

1. 需要将 int 型变量 n 的地址赋值给了 unsigned char 型指针变量，如果是赋值给 char 型变量，那么打印结果是：

FFFFFFDD
FFFFFFCC
FFFFFFBB
FFFFFFAA

原因是 printf 在打印的时候会将 char 提升为 int，0xAA，0xBB 最高位是 1，所以会当做符号位扩展。如果是 unsigned char，会提升为 unsigned int，符号位扩展是 0。

2. 打印结果的时候用 %x 或者 %X 进行格式化输出。

C 语言程序输出结果：

DD
CC
BB
AA

从输出结果可以看出我的系统是以小端序来存储整数的。

4. Java ByteOrder

我们知道 Java 是平台无关的编程语言，它是运行在 Java 虚拟机之上的，而 Java 虚拟机又是运行在 Native 系统上的。那么，如何通过 Java 程序检测系统本身的字节序呢？可以通过 java.nio.ByteOrder 类来测试当前 Native 系统的字节序。调用 ByteOrder 的 nativeOrder 方法，就能返回系统本身的字节序。另外，ByteOrder 还定义了两个 ByteOrder 类型的常量常用：

• ByteOrder.BIG_ENDIAN 表示大端序
• ByteOrder.LITTLE_ENDIAN 表示小端序

检测程序也很简单，如下：

public static void testByteOrder(){
    System.out.println("The native byte order: " + ByteOrder.nativeOrder());
}

检测结果如下：

The native byte order: LITTLE_ENDIAN

5. Java ByteBuffer 的字节序

那么 JVM 作为一部独立运行的机器，它的字节序又是如何呢？通过 Java 程序测试字节序的思路和 C 程序的一致，代码片段如下:

 public static void checkEndian()
 {
     int x = 0xAABBCCDD;

     ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(Integer.BYTES);
     buffer.putInt(x);
     byte[] lbytes = buffer.array();
     for (byte b : lbytes){
         System.out.printf("%X\n", b);
     }
 }

关于 JAVA 程序需要说明的是 JAVA 中没有指针的概念，所以不能通过取地址的方式直接打印内存的值。需要借助 JAVA 的 ByteBuffer，将 int 型数值存储到 ByteBuffer 中，然后将 ByteBuffer 转换成字节数组，通过打印数组的方式来达到我们的目的。引用 ByteBuffer 需要通过语句 import java.nio.ByteBuffer; 导入ByteBuffer 类。

JAVA 测试结果：

AA
BB
CC
DD

从输出结果可以看出 ByteBuffer 默认是以大端序来存储整数的，因为 Java 虚拟机本身采用的就是大端序，ByteBuffer 也要和整个系统保持一致。当然，ByteBuffer 也提供了 ByteBuffer order() 和 ByteBuffer order(ByteOrder bo) 方法，用来获取和设置 ByteBuffer 的字节序。

另外，像一些多字节 Buffer，如 IntBuffer、LongBuffer，它们的字节序规则如下：

• 如果多字节 Buffer 是通过数组（Array）创建的，那么它的字节序和底层系统的字节序一致。
• 如果多字节 Buffer 是通过 ByteBuffer 创建的，那么它的字节序和 ByteBuffer 的字节序一致。

测试程序如下：

    public static void checkByteBuffer(){
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(Long.BYTES);

        long [] longNumber = new long[]{
          0xAA,0xBB,0xCC,0xDD
        };
        LongBuffer lbAsArray = LongBuffer.wrap(longNumber);
        System.out.println("The byte order for LongBuffer wrap array: " + lbAsArray.order());
        LongBuffer lbAsByteBuffer = byteBuffer.asLongBuffer();
        System.out.println("The byte order for LongBuffer from ByteBuffer: " + lbAsByteBuffer.order());
    }

执行结果：

The byte order for LongBuffer wrap array: LITTLE_ENDIAN
The byte order for LongBuffer from ByteBuffer: BIG_ENDIAN

如果在上面的 checkByteBuffer 方法中，首先将对象 byteBuffer 的字节序设置为 ByteOrder.LITTLE_ENDIAN（通过 ByteBuffer 的 order 方法设置），然后再创建 lbAsByteBuffer 对象，那么 lbAsByteBuffer 的字节序该是什么呢？

6. 网络字节序

前面两小节讨论的都是 CPU、Java 虚拟机的字节序，通常叫做主机（host）字节序。在网络编程中，字节流在网络中传输是遵循大端序的，也叫网络字节序。

由于 Java 虚拟机的字节序和网络字节序是一致的，对于 Java 程序员来说，通常不太关心字节序的问题。然而，当 Java 程序和 C 程序进行通信的时候，需要关心字节序的问题。

7. 小结

本文主要是介绍了 CPU 架构带来的多字节数值在内存中存储时的字节序问题，字节序分为大端序和小端序。在计算机网络中，大端序也叫做网络字节序；相应的主机上的存储顺序叫做主机字节序。

在 Java 程序中，由于 Java 程序是在 Java 虚拟机上运行，Java 虚拟机的字节序是大端序。然而 Java 虚拟机运行的 Native 系统的字节序是不确定的，可以通过 java.nio.ByteOrder 的 nativeOrder 方法来确定。

对于 Java 网络编程中广泛应用的 ByteBuffer，则默认是大端序，当然你也可以根据需要设置它的字节序。对于多字节数值 Buffer，比如 IntBuffer、LongBuffer，则需要根据他们创建时所依赖的结构，来判定它们的字节序。

本节内容相对简单，学习起来也会轻松很多，但是非常重要，需要掌握。