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阎连科 2025-11-02 00:26:22

每经编辑｜陈悦熊

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字节的序(xu)曲(qu)：初(chu)识Bigendian与(yu)Littleendian的舞蹈

在(zai)浩瀚的(de)计(ji)算机(ji)科(ke)学领(ling)域(yu)，数据(ju)以(yi)二进制(zhi)的(de)形(xing)式(shi)存(cun)在(zai)，而这(zhe)些(xie)二进制数据又被组(zu)织成一个(ge)个字节(jie)。当(dang)一(yi)个多(duo)字节的数(shu)据(ju)（例(li)如(ru)一个16位的(de)整数(shu)或一个(ge)32位(wei)的浮(fu)点(dian)数）在内存中存储或在网络上传(chuan)输时(shi)，一个(ge)至(zhi)关重要(yao)的问(wen)题(ti)便(bian)浮出(chu)水面：这(zhe)些字节(jie)应该(gai)如何排列？是按照我们通(tong)常书(shu)写的顺序，从左到右，即“大(da)头”在前(qian)（Big-endian），还是反(fan)其道(dao)而行之，“小(xiao)头”在前（Little-endian）？这便是我们今天要探(tan)讨的(de)核心——字节(jie)序（ByteOrder）。

想象一下，你(ni)正在(zai)写(xie)一篇关(guan)于古代历史(shi)的(de)文章，其中包含了很(hen)多重要的(de)日(ri)期(qi)和年份。你希望将(jiang)这(zhe)些信(xin)息(xi)以数(shu)字形式(shi)存储(chu)在计(ji)算(suan)机(ji)中。假设一(yi)个年(nian)份(fen)是2023。在计算机(ji)内部，这个(ge)数字会被表示(shi)成一(yi)串二(er)进制(zhi)位。对(dui)于一(yi)个16位的整数而言，2023会(hui)占用(yong)两(liang)个(ge)字(zi)节。在不(bu)同的(de)计(ji)算机体系结构(gou)中(zhong)，这(zhe)两(liang)个字(zi)节(jie)的(de)存储(chu)顺序可(ke)能截然(ran)不同(tong)。

Big-endian：庄重(zhong)有序(xu)的(de)“大(da)头”

“Big-endian”（大(da)端(duan)序(xu)）顾名(ming)思义，是(shi)指(zhi)多字节(jie)数据的(de)最高有效字节(jie)（MostSignificantByte,MSB）存(cun)储在(zai)内存的最低地址(zhi)处。你可以将其(qi)理(li)解(jie)为一种(zhong)“从(cong)左到右”的(de)顺序，就像(xiang)我们阅读文字(zi)一(yi)样(yang)，最高位的(de)数字或信息总(zong)是出现(xian)在(zai)最前(qian)面。

举个例子，如(ru)果我(wo)们要(yao)存(cun)储(chu)16位的整数(shu)0x1234（其中(zhong)0x12是高字(zi)节(jie)，0x34是低(di)字节），在(zai)Big-endian系(xi)统中(zhong)，它会被存储(chu)为(wei)：

内存地(di)址(zhi)0x1000：0x12(MSB)内存(cun)地(di)址0x1001：0x34(LSB)

这(zhe)种存储(chu)方式(shi)的优势在于(yu)，当(dang)我们需要(yao)读取(qu)这(zhe)个多字(zi)节数据(ju)时(shi)，可以(yi)直接从最(zui)低地(di)址开(kai)始读取，第(di)一个字(zi)节(jie)就是(shi)最高有效字节(jie)，无(wu)需进行(xing)额外的字节(jie)重(zhong)组操(cao)作，读取起(qi)来更加直(zhi)观，也(ye)更符(fu)合我们(men)人(ren)类的(de)阅读(du)习惯。在网(wang)络协议(yi)中，Big-endian常常(chang)被(bei)用(yong)作“网络字(zi)节(jie)序”，以(yi)确(que)保不同(tong)系统(tong)之(zhi)间(jian)数(shu)据传输的(de)一致(zhi)性(xing)。

例(li)如，TCP/IP协(xie)议就(jiu)规定使用Big-endian作(zuo)为(wei)网络(luo)字节序(xu)。

Little-endian：灵(ling)活巧妙的(de)“小头”

与Big-endian相反，“Little-endian”（小端序(xu)）则(ze)将多字(zi)节数(shu)据的最(zui)低有(you)效(xiao)字节（LeastSignificantByte,LSB）存(cun)储(chu)在内存的(de)最低(di)地址(zhi)处。这就像(xiang)是信(xin)息以(yi)一(yi)种“从右(you)到左(zuo)”的(de)顺(shun)序(xu)排(pai)列，最低位的数(shu)字或信息(xi)反而(er)出现(xian)在(zai)最(zui)前面(mian)。

继续以存(cun)储16位(wei)的整数(shu)0x1234为(wei)例，在(zai)Little-endian系统中，它(ta)的存(cun)储方(fang)式(shi)会变成(cheng)：

内存地址(zhi)0x1000：0x34(LSB)内存(cun)地(di)址(zhi)0x1001：0x12(MSB)

这种存储(chu)方式的“好(hao)处”体(ti)现在某(mou)些特定(ding)的CPU设计和操作(zuo)中，例(li)如，当(dang)进行(xing)字节(jie)级别的算(suan)术运算时(shi)，Little-endian的CPU可(ke)以直接操(cao)作最(zui)低(di)有效(xiao)字节，而无需额(e)外的地(di)址(zhi)偏移，这(zhe)在某(mou)些情(qing)况下(xia)可(ke)以(yi)提高效(xiao)率(lv)。许多(duo)主流(liu)的x86架构处(chu)理器（例如Intel和AMD的(de)CPU）都(dou)采(cai)用(yong)Little-endian字节序(xu)。

字节(jie)序的交(jiao)汇(hui)与(yu)挑战(zhan)

为(wei)什么(me)会有两种不同(tong)的(de)字节(jie)序呢？这(zhe)主要(yao)源于计算(suan)机体系结构设(she)计上的历(li)史选(xuan)择和不同(tong)的优化策(ce)略(lve)。没有绝(jue)对(dui)的优劣之分(fen)，它们只是(shi)处理(li)多字(zi)节数据(ju)存(cun)储和(he)访问(wen)的不(bu)同方式。

当(dang)数(shu)据需要(yao)在不同(tong)字(zi)节序的系(xi)统之(zhi)间进行交换时(shi)，问题就(jiu)来了(le)。如果你(ni)在(zai)一个(ge)Little-endian系(xi)统(tong)上创建(jian)一个(ge)数据(ju)，然(ran)后将其(qi)发送给一(yi)个Big-endian系统(tong)，接收方会如(ru)何解(jie)读(du)？它(ta)会(hui)把(ba)接收(shou)到的(de)第一(yi)个字节当作最(zui)高有效字(zi)节(jie)，导(dao)致数(shu)据(ju)的数值(zhi)完全错误。

反(fan)之(zhi)亦然。这就(jiu)好比两种(zhong)语言的表(biao)达方(fang)式完全相(xiang)反，如(ru)果沟通时(shi)不(bu)进(jin)行“翻译”，就无(wu)法理解对方(fang)的意思。

为了(le)解决(jue)这个问题，我(wo)们需(xu)要(yao)在(zai)数据(ju)传输(shu)前进(jin)行“字节(jie)序转换(huan)”，即根(gen)据(ju)目标系统的(de)字节(jie)序来调整数据的字(zi)节排(pai)列顺序(xu)。在(zai)网络编(bian)程(cheng)中，这通常(chang)通过htons()(hosttonetworkshort)、ntohs()(networktohostshort)等函数(shu)来(lai)实现，它们能够(gou)将主机字(zi)节序(xu)（本地(di)系(xi)统(tong)的字(zi)节序）转换为(wei)网(wang)络字(zi)节序(xu)（通常(chang)是(shi)Big-endian），或将(jiang)网(wang)络字节序转换为(wei)主(zhu)机字节(jie)序(xu)。

理解Big-endian和Little-endian的区(qu)别，对于(yu)进行(xing)底层系(xi)统(tong)编程(cheng)、网络(luo)通信(xin)、文(wen)件(jian)格(ge)式解析等工(gong)作至关重(zhong)要。它(ta)能帮助(zhu)我(wo)们(men)诊断(duan)由(you)字节(jie)序不匹(pi)配(pei)引起(qi)的数据(ju)错(cuo)误，并(bing)确保(bao)数据的正确传(chuan)输(shu)和解析(xi)。在下一(yi)部(bu)分，我(wo)们将把目(mu)光(guang)投(tou)向UCS-2编码(ma)，并看(kan)看字节序在其中(zhong)扮演着怎(zen)样的(de)角色(se)。

UCS-2的世(shi)界：字(zi)节序(xu)的(de)交(jiao)响与(yu)编(bian)码(ma)的艺术

在上(shang)一(yi)部分，我们深入(ru)探(tan)讨(tao)了Big-endian和(he)Little-endian这两种(zhong)截然不(bu)同的字节(jie)存储(chu)方(fang)式。现在，让我(wo)们将目光转向(xiang)字符(fu)编(bian)码(ma)的世(shi)界，特别是UCS-2，并(bing)理(li)解字(zi)节序在其中扮演的关(guan)键角色(se)。UCS-2，作为Unicode字(zi)符(fu)集的(de)一个早期(qi)版本(ben)，为我(wo)们(men)描(miao)绘(hui)了(le)一(yi)个(ge)广阔(kuo)的字符空间(jian)，而其在(zai)内(nei)存(cun)中的呈(cheng)现，又离不开字(zi)节(jie)序的(de)“编排(pai)”。

UCS-2简(jian)述(shu)：超越(yue)ASCII的编码

Unicode标准的诞生(sheng)，旨在(zai)解决(jue)传统(tong)字符编码（如(ru)ASCII）的(de)局限性，为(wei)世界上几(ji)乎所(suo)有的(de)字符(fu)提供(gong)一个(ge)统一的编码空(kong)间。UCS-2是(shi)一(yi)种定长(zhang)编码(ma)，它(ta)使用(yong)两(liang)个字节(jie)（16位）来(lai)表(biao)示一个字(zi)符。理论上，UCS-2可(ke)以(yi)表示(shi)$2^{16}=65536$个(ge)不同的(de)字符(fu)。

这比ASCII的(de)128个字符(fu)，甚(shen)至扩(kuo)展ASCII的256个(ge)字符，能够(gou)涵盖(gai)的(de)语言和符号范围要(yao)广得多(duo)。

例如，英文字母(mu)'A'在ASCII中表(biao)示(shi)为0x41。在(zai)UCS-2中，它(ta)被(bei)表示为(wei)0x0041。中文字(zi)符“你”在(zai)UCS-2中可(ke)能(neng)表示为(wei)0x4F60。对于那些需要(yao)处理多国语言(yan)文本(ben)的应(ying)用程序来说(shuo)，UCS-2提(ti)供了(le)一(yi)个(ge)便捷的解(jie)决方案(an)，避免了(le)频繁的字符(fu)集(ji)转换(huan)和乱(luan)码(ma)的(de)困(kun)扰(rao)。

字(zi)节序(xu)与UCS-2的亲(qin)密接触

问(wen)题就出在(zai)UCS-2使用的是两个(ge)字节(jie)来表示一(yi)个字(zi)符(fu)。当一(yi)个(ge)字(zi)符(fu)编(bian)码(ma)值，比(bi)如0x4F60，需(xu)要存储(chu)在内存(cun)中时，它是0x4F在(zai)前，0x60在(zai)后(hou)（Big-endian），还(hai)是(shi)0x60在前(qian)，0x4F在后(hou)（Little-endian）呢(ne)？这又回(hui)到了(le)我(wo)们(men)熟悉(xi)的(de)字(zi)节序(xu)问题(ti)。

在Big-endian系(xi)统中，0x4F60会被(bei)存储为：

内(nei)存(cun)地址0x2000：0x4F(高字节(jie)，MSB)内存(cun)地(di)址(zhi)0x2001：0x60(低(di)字节，LSB)

在(zai)Little-endian系统中(zhong)，0x4F60会被存(cun)储为：

内存(cun)地址(zhi)0x2000：0x60(低(di)字(zi)节(jie)，LSB)内存地(di)址0x2001：0x4F(高(gao)字节，MSB)

这种(zhong)差异(yi)在文本处(chu)理、文件读写(xie)以(yi)及网络(luo)传输时(shi)至关重要(yao)。如果(guo)你(ni)在(zai)一个Big-endian系统(tong)上创(chuang)建一个UTF-16(UCS-2的(de)一个(ge)超集，用(yong)于(yu)表示Unicode码(ma)点在U+FFFF范(fan)围之外的字符(fu))文(wen)件(jian)，并将(jiang)其传(chuan)输(shu)到(dao)Little-endian系统上，如(ru)果接收方不了(le)解这(zhe)个文件(jian)的字节序，它(ta)读(du)取(qu)到的(de)将是错(cuo)误(wu)的字(zi)符(fu)。

BOM(ByteOrderMark)：字(zi)节(jie)序(xu)的“签(qian)名”

为了(le)解决(jue)UCS-2和UTF-16在不(bu)同字(zi)节序系统间(jian)传(chuan)输时可能(neng)出现(xian)的混(hun)乱，Unicode标(biao)准引(yin)入(ru)了一(yi)个特(te)殊的标(biao)记——字(zi)节顺(shun)序标记(ji)（ByteOrderMark,BOM）。BOM是一个不可打(da)印的字(zi)符(fu)，其(qi)Unicode码(ma)点是U+FEFF。

当这(zhe)个(ge)U+FEFF字(zi)符(fu)以(yi)Big-endian的(de)形式(shi)存(cun)储时(shi)，它(ta)会表(biao)现(xian)为0xFEFF。当它(ta)以Little-endian的形(xing)式存(cun)储(chu)时(shi)，它(ta)会表(biao)现为(wei)0xFFFE。

请注(zhu)意，0xFFFE并不(bu)是(shi)一个(ge)有效的Unicode字(zi)符，它(ta)实(shi)际上是(shi)0xFEFF在Little-endian系统(tong)下(xia)的字(zi)节颠倒结(jie)果。因此，当一个文本文件以UTF-16编(bian)码时，文件的(de)开(kai)头如果包含BOM，就可以(yi)直(zhi)接帮助读取(qu)程序(xu)判断出(chu)该文(wen)件的(de)字节序(xu)。

如果文(wen)件(jian)开头(tou)是0xFEFF，那么这个文(wen)件是Big-endian的UTF-16。如果文(wen)件(jian)开头是0xFFFE，那(na)么(me)这个文件是(shi)Little-endian的(de)UTF-16。

如果文(wen)件开头(tou)既(ji)不(bu)是(shi)0xFEFF也不是(shi)0xFFFE，那么(me)读取程序(xu)可能需(xu)要依靠(kao)其他(ta)信(xin)息(xi)（例(li)如(ru)文件扩展(zhan)名或(huo)用户(hu)指定(ding)）来推(tui)断字(zi)节序(xu)，或者(zhe)默认使用系(xi)统(tong)的(de)主(zhu)机字节序(xu)。

实际应(ying)用中的(de)考(kao)量

在实际开(kai)发中(zhong)，尤其是在(zai)进行跨(kua)平(ping)台数(shu)据交(jiao)换(huan)时，我们(men)必须时刻(ke)关注(zhu)字节序问(wen)题。

网(wang)络(luo)编程(cheng)：如前(qian)所(suo)述，网络协议通(tong)常(chang)采用Big-endian作(zuo)为网(wang)络字(zi)节序。因此(ci)，在发(fa)送多字节(jie)数据（如(ru)端口号(hao)、IP地址(zhi)、结构(gou)体(ti)成(cheng)员）之(zhi)前(qian)，需(xu)要使(shi)用htons()、htonl()等(deng)函(han)数将其转换(huan)为网络字(zi)节序；在(zai)接(jie)收到(dao)网络数(shu)据(ju)后，再(zai)使用ntohs()、ntohl()等函(han)数将(jiang)其转换(huan)回主机(ji)字节序(xu)。

文件I/O：当(dang)读写包(bao)含多字(zi)节数据的(de)二(er)进(jin)制(zhi)文(wen)件(jian)时(shi)，要确保写入和(he)读取的(de)字(zi)节(jie)序(xu)一致(zhi)，或(huo)者在必(bi)要时(shi)进行(xing)转(zhuan)换。对于包含UTF-16编码(ma)的文本文件(jian)，BOM是一个(ge)非常(chang)重要(yao)的指(zhi)示器，能够(gou)帮助(zhu)程序正确地(di)解析文件内容(rong)。

数(shu)据结构(gou)与序列化：在(zai)序列化（将内存中(zhong)的数据结构转换(huan)为字(zi)节流(liu)以便(bian)存储(chu)或传(chuan)输）和反序(xu)列化（将字节流恢复为内(nei)存(cun)中(zhong)的(de)数据结(jie)构(gou)）过(guo)程中，字(zi)节序的(de)处理是核心环节。如果序(xu)列化(hua)和反序列化发(fa)生在(zai)不同(tong)字节(jie)序的系统上，必(bi)须(xu)进(jin)行(xing)显(xian)式的(de)字节(jie)序(xu)转换。

结(jie)语：数(shu)据世界的(de)精确与优(you)雅

Big-endian和(he)Little-endian，以及(ji)UCS-2这样(yang)的编(bian)码，构成了(le)我们(men)处理(li)数字信息(xi)的(de)基(ji)础(chu)。它(ta)们看(kan)似是枯燥的(de)技(ji)术细节，实(shi)则蕴含(han)着(zhe)数据(ju)在不(bu)同介质间(jian)传递(di)与(yu)存在的智慧(hui)。理(li)解字节序(xu)，就(jiu)像(xiang)掌(zhang)握(wo)了(le)语言(yan)的(de)语(yu)法(fa)，能够帮助(zhu)我(wo)们(men)更精确(que)地(di)表达(da)和理(li)解(jie)信息(xi)，避免(mian)误解(jie)和错(cuo)误。

而(er)UCS-2这样(yang)的编(bian)码，则(ze)为我(wo)们打(da)开了沟通世界的窗(chuang)口，让(rang)我们能(neng)够(gou)以(yi)一(yi)种统(tong)一(yi)的(de)方式(shi)，跨越语言的界(jie)限。

掌(zhang)握(wo)这(zhe)些概(gai)念(nian)，不仅能提升(sheng)我(wo)们的(de)技(ji)术功底，更能让(rang)我(wo)们(men)在数(shu)据(ju)世(shi)界的(de)海洋(yang)中，以一种(zhong)更(geng)加自(zi)信(xin)和优(you)雅的(de)姿(zi)态，驾驭信息(xi)的(de)潮(chao)汐。每(mei)一次对(dui)字(zi)节序(xu)的细致(zhi)考(kao)量(liang)，每(mei)一次对字(zi)符编(bian)码的准确运(yun)用(yong)，都是在为(wei)构建(jian)一个更(geng)互联、更(geng)互通的(de)数字世界添(tian)砖(zhuan)加瓦。

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图片来源：每经记者陈绪水摄