面試挖坑題：之C語言底層操作問題

C語言的記憶體模型基本上對應了現在von Neumann（馮·諾伊曼）計算機的實際儲存模型，很好的達到了對機器的對映，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。

　　1、問題：移 位 操作

　　在運用移位運算子時，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數。

　　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>>移位的位數
　　左移: 變數名<<移位的位數
　　經過移位後, 一端的位被"擠掉",耳另一端空出的位以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，就把變數宣告為無符號型，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，那麼移位的位數要不小於 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，如果整型資料佔 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 。

　2、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, 位結構比按位運算子更加方便。

　　位結構定義的一般形式為:

struct位結構名{

　資料型別 變數名: 整型常數;

　資料型別 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, 表示二進位制位的個數, 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從的資訊。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

　　3、問題：位元組對齊

　　我在使用VC程式設計的過程中，有一次呼叫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和呼叫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、寫驅動程式時候暫存器的結構等。

　　三種對齊方式：

　　1、 自然對齊方式（Natural Alignment）：與該資料型別的大小相等。

　　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 )

　　對於複雜資料型別（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 )

　　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臺做最佳化，如果效率非常重要，就儘量不要使用#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案中加，不要依賴命令列選項，因為如果很多人使用該標頭檔案，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，如果一個庫函式使用了struct作為其引數，當呼叫者與庫檔案開發者使用不同的pack時，就會造成錯誤，而且該類錯誤很不好查。
　　3、 在VC及BC提供的標頭檔案中，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執行。
　　4、 在 #pragma pack(n) 後一定不要include其他標頭檔案，若包含的標頭檔案中改變了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。

4、問題：按位運算子

　　C語言和其它高階語言不同的是它完全支援按位運算子。這與組合語言的位操作有些相似。 C中按位運算子列出如下:

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

運算子 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, 對其它資料型別不適用。
　　2、 關係運算和邏輯運算表示式的結果只能是1或0。 而按位運算的結果可以取0或1以外的值。 要注意區別按位運算子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&&，~與! 的關係

　　&、| 和 ~ 運算子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"&"運算子把 10 和 12 當作二進位制描述 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 )，透過補碼運算，~10 = -11 ( 11...110101 )。<以多少為一個位序列> &&、|| 和！運算子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"||"運算子，如果左側的運算元的值就可以決定表示式的值，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，在最後一個表示式中，12 根本就沒被計算，在表示式 10 || f( ) 中也是如此。