Big-Endian 與 Little-Endian 的差異與判斷程式碼

這裡介紹 Big-Endian 與 Little-Endian 兩種位元組順序的差異，並提供判斷位元組順序的 C 語言實作程式碼範例。

位元組順序（Endianness）是指資料在記憶體中的放置順序，不同的 CPU 可能會採用不同的放置規則，若遇到需要在不同機器或是網路之間交換低階的二進位資料時，就必須注意這個問題。

Big-Endian 與 Little-Endian

在現今主流的 CPU 中，最常見的位元組順序有兩種，分別是 Big-Endian 與 Little-Endian，Big-Endian 是指資料放進記憶體中的時候，最高位的位元組會放在最低的記憶體位址上，而 Little-Endian 則是剛好相反，它會把最高位的位元組放在最高的記憶體位址上。

我們直接以一個簡單的範例來說明 Big-Endian 與 Little-Endian 的差異會更清楚，假設我們有一個 32 位元（bits）的整數資料為 0x12345678，在 Big-Endian 的機器將其放置在記憶體中的時候，會按照下圖中的規則放置：

Big-Endian 範例（LibreOffice 原始檔）

但是如果換成 Little-Endian 的機器，將 0x12345678 放在記憶體中的方式就會剛好相反，會變成這樣：

Little-Endian 範例

C 語言判斷位元組順序

如果我們的程式會使用 union 這類的低階存取方式處理記憶體中的資料，位元組順序就會是非常關鍵的問題，如果不確定自己的機器是屬於那一種位元組順序，可以使用以下這段簡單的程式來判斷：

#include <stdio.h>
typedef union {
  unsigned long l;
  unsigned char c[4];
} EndianTest;
int main() {
  EndianTest et;
  et.l = 0x12345678;
  printf("本系統位元組順序為：");
  if (et.c[0] == 0x78 && et.c[1] == 0x56 && et.c[2] == 0x34 && et.c[3] == 0x12) {
    printf("Little Endiann");
  } else if (et.c[0] == 0x12 && et.c[1] == 0x34 && et.c[2] == 0x56 && et.c[3] == 0x78) {
    printf("Big Endiann");
  } else {
    printf("Unknown Endiann");
  }
  printf("0x%lX 在記憶體中的儲存順序：n", et.l);
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    printf("%p : 0x%02Xn", &et.c[i], et.c[i]);
  }
  return 0;
}

在 Intel CPU 的電腦中執行的結果會類似這樣：

本系統位元組順序為：Little Endian
0x12345678 在記憶體中的儲存順序：
0x7fffbffafb10 : 0x78
0x7fffbffafb11 : 0x56
0x7fffbffafb12 : 0x34
0x7fffbffafb13 : 0x12

網路位元組順序

除了記憶體中的資料會有位元組順序的問題之外，在網路上傳輸的資料也有同樣的問題，在 IP 的通訊協定中，明確規定網路上傳輸的資料都使用 Big-Endian 的方式傳輸，如果我們需要將資料透過網路傳送時，可以使用 htonl、htons、ntohl 與 ntohs 這幾個函數來處理本機與網路之間的位元組順序轉換。以下是一個簡單的範例：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <arpa/inet.h>
typedef union {
  uint32_t l;
  unsigned char c[4];
} EndianTest;

// 輸出位元組順序
void printBytes(uint32_t x) {
  EndianTest et;
  et.l = x;
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    printf("0x%02X ", et.c[i]);
  }
  printf("n");
}

int main() {
  uint32_t x = 0x12345678;
  printf("0x%X 在記憶體中的儲存順序：", x);
  printBytes(x);
  uint32_t n = htonl(x);
  printf("0x%X 在網路中的傳輸順序：", x);
  printBytes(n);
}

0x12345678 在記憶體中的儲存順序：0x78 0x56 0x34 0x12 
0x12345678 在網路中的傳輸順序：0x12 0x34 0x56 0x78