在C语言中打印整数的实际位表示

Question

在C语言中打印整数的实际位表示

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我想在C语言中打印整数的实际比特表示。以下是我找到的两种方法。

第一种方法：

union int_char {
    int val;
    unsigned char c[sizeof(int)];
} data;

data.val = n1;
// printf("Integer: %p\nFirst char: %p\nLast char: %p\n", &data.f, &data.c[0], &data.c[sizeof(int)-1]);

for(int i = 0; i < sizeof(int); i++)
    printf("%.2x", data.c[i]);
    printf("\n");

第二点：

for(int i = 0; i < 8*sizeof(int); i++) {
    int j = 8 * sizeof(int) - 1 - i;
    printf("%d", (val >> j) & 1);
}
printf("\n");

第二种方法的输出结果是00000002和02000000。我还尝试了其他数字，似乎这两个字节被交换了。哪一个是正确的？

- alex solanki

1

它们都是正确的，这取决于您想以什么顺序显示位。 - M.M

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你的意思是第二段代码输出02000000？ printf("%d", (val >> j) & 1); 只应该输出0或者1，不应该输出2。 - Gerhardh

第二个示例不会输出“2”。这两个示例明确按相反的顺序打印字节。第二个示例不太可取，因为在int上使用>>可能会产生未定义的行为，并且char类型不能保证为8位。 - Peter

val 是什么类型？它是如何赋值的？除非 val 是 unsigned，否则 printf("%d", (val >> j) & 1); 会出现问题。一个 [mcve] 可以改善这篇文章。 - chux - Reinstate Monica

((int)a)>>n 的未定义行为对于小的 n，即 n < (sizeof(int) * 8)，不会影响 (((int)a)>>n) & 1。 - William J Bagshaw

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4个回答

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这取决于您对“正确”的定义。

第一个将按内存中的布局精确打印数据，所以我打赌这就是您得到意外的 02000000 的原因。*) 依我看，这是正确的。它可以通过直接使用 unsigned char * 进行别名处理来更简单地完成（实际上，char 指针始终允许别名任何其他指针，事实上，访问表示是标准中提到的 char 指针的用例）：

int x = 2;
unsigned char *rep = (unsigned char *)&x;
for (int i = 0; i < sizeof x; ++i) printf("0x%hhx ", rep[i]);

第二个代码段仅打印值位（value bits）**），并按照从最高有效字节到最低有效字节的顺序将它们取出。我不会称其为正确，因为它还假设字节有8位，并且负数移位的使用是实现定义的。此外，如果您真的想看到表示，仅忽略填充位似乎也不正确。

编辑：正如Gerhardh所评论的，这第二个代码段不是逐字节打印，而是逐位打印。所以，你声称看到的输出是不可能的。但它仍然遵循相同的原则，仅打印值位并从最高位开始。

*) 你正在使用“小端”机器。在这些机器上，最不重要的字节首先存储在内存中。了解更多关于维基百科上的字节序。

**) C语言中类型的表示也可能有填充位。一些类型不允许包含填充（如char），但int允许有它们。这第二个选项不与char别名，因此填充位保持不可见。

***) 这段代码的正确版本（用于打印所有值位）必须a)正确确定值位数（8 * sizeof int是错误的，因为字节（char）可以有超过8位，即使CHAR_BIT * sizeof int也是错误的，因为如果存在填充位，这也会计算在内）和b)通过首先转换为unsigned来避免实现定义的移位行为。它可能看起来像这样：

#define IMAX_BITS(m) ((m) /((m)%0x3fffffffL+1) /0x3fffffffL %0x3fffffffL *30 \
                  + (m)%0x3fffffffL /((m)%31+1)/31%31*5 + 4-12/((m)%31+3))

int main(void)
{
    int x = 2;

    for (unsigned mask = 1U << (IMAX_BITS((unsigned)-1) - 1); mask; mask >>= 1)
    {
        putchar((unsigned) x & mask ? '1' : '0');
    }
    puts("");
}

请参考这个答案，了解这个奇怪的宏的解释。

- user2371524

0

如果您使用十六进制声明整数，则正确的十六进制表示字符串为00000002。

int n = 0x00000002; //n=2

或者当你像这样将整数打印为十六进制时：

printf("%08x", n);

但是，当按顺序打印整数字节时，您还必须考虑endianess，即多字节整数的字节顺序：

在大端系统中（一些UNIX系统使用它），4个字节将按以下方式在内存中排序：

 00 00 00 02

在小端系统中（大多数操作系统），字节将按照以下顺序在内存中排序：

 02 00 00 00

- SHR

“正确的是00000002”，真的吗？我认为“0x00 0x00 0x06”也同样可以作为数字“2”的正确表示。 - user2371524

问题是关于十六进制表示的。 - SHR

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什么是“十六进制表示”？这个问题涉及到表示，即在内存中的实际位模式。 - user2371524

就像我之前回答的那样，这可能会有所不同，小端序和大端序是相反的。 - SHR

看看我在第一条评论中的例子。我创建了一个具有22个值位和2个填充位的“int”。现在呢？ - user2371524

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第一个会按照内存中出现的顺序打印代表整数的字节。具有不同字节序的平台将打印不同的结果，因为它们以不同的方式存储整数。

第二个打印构成整数值的位，最高有效位先打印。这个结果与字节序无关。结果也不依赖于如何实现带符号 int 的 >> 运算符，因为它不查看可能受实现影响的位。

第二个更适合问题“在 C 中打印整数的实际位表示”。虽然存在许多歧义。

- William J Bagshaw

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“结果也不受有符号整数的>>运算符如何实现的影响”<-你确定吗？在实践中可能是正确的，但所有标准（在6.5.7 p5中）都要说：“如果E1具有带符号类型和负值，则结果值是实现定义的。” - user2371524

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可以查看英文原文，
原文链接

- Persixty · Accepted Answer

欢迎来到字节序的神秘世界。

我们通常是按最高位数字优先的顺序书写数字，你可能会想象最高位字节存储在较低地址处。

但建造计算机的电气工程师更有想象力。

有时他们会将最高位字节存储在首位，但在你的平台上，它是最不重要的。

甚至存在一些平台，其中所有内容都有点混乱 - 但在实践中很少遇到这些问题。

因此，我们大部分时间都在谈论大端和小端。这是关于《格列佛游记》中的一个笑话，那里有一场无意义的争斗，争论从水煮蛋的哪一端开始。这本身就是对基督教教堂的一些争议的讽刺。但我扯远了。

因为您的第一个片段将值视为一系列字节，因此它按字节顺序遇到它们。

但是，因为 >> 被定义为操作位，所以它被实现为在不考虑实现的情况下 '逻辑' 运行。

C 没有定义字节顺序是正确的，因为不支持 C 选择的模型的硬件将负担着无休止且毫无意义的字节重排的开销。

不幸的是，并没有内置标识符告诉您模型是什么 - 虽然可以找到执行此项操作的代码。

如果（a）正如上述，您想将整数类型分解为字节并操纵它们，或者（b）您收到了包含多字节结构的其他平台的文件，则它将变得相关。

Unicode 提供了称为 BOM（字节顺序标记）的东西，用于 UTF-16 和 UTF-32。

事实上，使用 UTF-8 的一个很好的理由（其中有许多）就是问题消失了。因为每个组件都只是一个字节。

脚注：在评论中非常公正地指出，我没有讲完整个故事。

C 语言规范承认多种表示形式，特别是有符号整数。具体来说是：有符号幅值、二进制补码和反码。

它还允许 '填充位' 不表示值的一部分。

因此，原则上，我们需要考虑表示法以及处理字节顺序。

所有现代计算机使用二进制补码，而使用任何其他东西的现有机器非常罕见，除非您真的需要支持这些平台，否则我建议假设您正在使用二进制补码系统。