字节序探析：大端与小端的比较

谈谈一个重要的计算机概念，大家可能都听说过它，但是很少深究，那就是字节序（Endianness）。

一、概念

字节序指的是，多字节数据的内存排列顺序。这样说比较抽象，使用图形解释就很好懂。

内存好比一排房间，每个字节是一间房。每间房都有门牌号（内存地址），从0号开始，然后是1号、2号......

0号字节的地址小，称为低位内存；3号字节的地址大，称为高位内存。

现在有一个数值abcd要放进这些房间，每个房间放一个数字，那么有两种放法。

第一种放法是，第一位a放在低位地址（0号），最后一位d放在高位地址（3号）。

这种排列称为"大端序"（big-endian，简称 BE），即大头在前，因为a是abcd的大头（最重要的数字）。

第二种放法是，第一位a放在高位地址（3号地址），最后一位d放在低位地址（0号地址）。

这种排列称为"小端序"（little-endian，简称 LE），即小头d在前。

大端序和小端序合称字节序，这两个名字来自18世纪的英国小说《格列佛游记》。某国分成两派，一派认为鸡蛋应该从大头吃起，称为"大端派"；另一派认为，鸡蛋应该从小头吃起，称为"小端派"。两派相执不下，谁也无法说服谁，最后甚至为此交战。

二、可读性

对于人类来说，不同字节序的可读性是不一样的。大部分国家的阅读习惯是从左到右阅读。

大端序的最高位在左边，最低位在右边，符合阅读习惯。所以，对于这些国家的人来说，从左到右的大端序的可读性更好。

但是现实中，从右到左的小端序虽然可读性差，但应用更广泛，x86 和 ARM 这两种 CPU 架构都采用小端序，这是为什么？

或者换一种问法，两种不同的字节序为什么会并存，统一规定只使用一种，难道不是更方便吗？

原因是它们有各自的适用场景，某些场景大端序有优势，另一些场景小端序有优势，下面就逐一分析。

三、检查奇偶性

小端序优势最明显的，大概就是检查奇偶性，即通过查看个位数，确定某个数字是奇数还是偶数。

以123456为例，大端序从左到右排列，计算机必须一直读到最后一位的个位数6，才能确定这是偶数。

小端序是从右到左排列，个位数在第一位。所以，只要读取第一位，就能确定它是偶数。

四、检查正负号

一个类似的场景是检查正负号，确定一个数是正数还是负数。

大端序的符号位在左边第一位，小端序的符号位在右边最后一位。所以，大端序有优势，只看第一位就能知道是不是负数。

五、比较大小

下一个操作是比较大小。现在有三个数字，需要比较大小：43662576，594，2。

上图是大端序排列，因为是从左到右排列，所以三个数字在右边个位数对齐。比较大小时，计算机就不得不读取每一个数的所有位，直到个位数，再进行比较。

如果改成小端序，就是下面的排列方式。

小端序是从右到左，所以三个数字在第一位对齐。计算机就不需要读取所有位，哪个数字先读不到下一位，就是最小的。比如，2这个数字就没有第二位，所以读到第二位时，就知道它是最小的。

所以，比较大小时，小端序有优势。

六、乘法

接下来，再看乘法操作。

乘法是逐位相乘，每一轮乘法都要向前进位。

上图是大端序的24165乘以3841。大端序的乘法是向左进位，也就是向左边扩展，必须等到每一轮的结果都出来（上例是四轮），再相加统一写入内存。

如果改成小端序的乘法，就不需要等待下一轮的结果，每一轮都可以直接写入内存。

上图是小端序的24165乘以3841。小端序的乘法是向右进位，也就是向右边扩展，左边的边界不变。每一轮结果写入内存后，就不需要移动，后面有变化只需要改动对应的位就行了。

因此，小端序的乘法有明显优势。

七、任意精度整数

上一个例子的从低位开始计算的特性，对于任意精度整数特别有用。任意精度整数又称大整数，可以存放任意大小的整数。

它的内部实现是把整数分成一个个较小的单位，通常是 uint32（无符号32位整数）或 uint64（无符号64位整数），按顺序组合在一起。

如果是大端序，第一个 u64 就是这个整数最大的部分。运算时，一旦这个数发生变化，需要进位，后面的所有位都必须移动和改写。小端序发生进位时，往往就不需要所有位移动。

小端序的另一个好处是，如果逐字节的运算从个位数开始（比如乘法和加法），可以从左到右依次运算一个个 u64，算完上一个再读取下一个。大端序就不行，必须读取整个数以后再进行运算。

八、更改类型

最后一个例子是，C 语言有一种 cast 操作，可以强制改变变量的数据类型，比如把32位整数强行改变为16位整数。

上图中，32位整数0x00000001更改为16位整数0x0001，大端序是截去前面两个字节，这时指向这个地址的指针必须向后移动两个字节。

小端序就没有这个问题，截去的是后面两个字节，第一位的地址是不变的，所以指针不需要移动。

九、总结

综上所述，大端序和小端序各自的优势如下。

如果需要逐位运算，或者需要到从个位数开始运算，都是小端序占优势。反之，如果运算只涉及到高位，或者数据的可读性比较重要，则是大端序占优势。

十、参考链接

• On Endianness, Karl Stenerud