C++ 中的 64 位 ntohl()？

2024-10-14 08:40:00
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摘要：问题描述：的手册页htonl()似乎建议您只能将其用于最多 32 位值。（实际上，ntohl()它被定义为无符号长整型，在我的平台上是 32 位。我想如果无符号长整型是 8 个字节，它将适用于 64 位整数）。我的问题是我需要将 64 位整数（在我的情况下，这是一个无符号长整型）从大端转换为小端。现在，我需要...

问题描述：

的手册页htonl()似乎建议您只能将其用于最多 32 位值。（实际上，ntohl()它被定义为无符号长整型，在我的平台上是 32 位。我想如果无符号长整型是 8 个字节，它将适用于 64 位整数）。

我的问题是我需要将 64 位整数（在我的情况下，这是一个无符号长整型）从大端转换为小端。现在，我需要进行特定的转换。但如果ntohl()目标平台是大端，函数（如）不会转换我的 64 位值，那就更好了。（我宁愿避免添加自己的预处理器魔法来做到这一点）。

我可以使用什么？如果存在的话，我希望它是标准的，但我愿意听取实施建议。我过去曾见过使用联合进行这种类型的转换。我想我可以有一个 unsigned long long 和 char[8] 的联合。然后相应地交换字节。（显然会在大端平台上中断）。

解决方案 1：

文档：man htobe64在 Linux（glibc >= 2.9）或 FreeBSD 上。

不幸的是，在 2009 年的尝试中，OpenBSD、FreeBSD 和 glibc（Linux）未能顺利地合作为此创建一个（非内核 API）libc 标准。

目前，这是一段简短的预处理器代码：

#if defined(__linux__)
#  include <endian.h>
#elif defined(__FreeBSD__) || defined(__NetBSD__)
#  include <sys/endian.h>
#elif defined(__OpenBSD__)
#  include <sys/types.h>
#  define be16toh(x) betoh16(x)
#  define be32toh(x) betoh32(x)
#  define be64toh(x) betoh64(x)
#endif

（在 Linux 和 OpenBSD 上测试）应该会隐藏差异。它为您提供了这 4 个平台上的 Linux/FreeBSD 样式的宏。

使用示例：

  #include <stdint.h>    // For 'uint64_t'

  uint64_t  host_int = 123;
  uint64_t  big_endian;

  big_endian = htobe64( host_int );
  host_int = be64toh( big_endian );

这是目前最“标准 C 库”式的方法。

解决方案 2：

我建议你读一下这个： http: //commandcenter.blogspot.com/2012/04/byte-order-fallacy.html

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

uint64_t
ntoh64(const uint64_t *input)
{
    uint64_t rval;
    uint8_t *data = (uint8_t *)&rval;

    data[0] = *input >> 56;
    data[1] = *input >> 48;
    data[2] = *input >> 40;
    data[3] = *input >> 32;
    data[4] = *input >> 24;
    data[5] = *input >> 16;
    data[6] = *input >> 8;
    data[7] = *input >> 0;

    return rval;
}

uint64_t
hton64(const uint64_t *input)
{
    return (ntoh64(input));
}

int
main(void)
{
    uint64_t ull;

    ull = 1;
    printf("%"PRIu64"
", ull);

    ull = ntoh64(&ull);
    printf("%"PRIu64"
", ull);

    ull = hton64(&ull);
    printf("%"PRIu64"
", ull);

    return 0;
}

将显示以下输出：

1
72057594037927936
1

如果删除高 4 个字节，则可以用 ntohl() 来测试这一点。

您还可以将其转变为 C++ 中一个很好的模板函数，它可以对任何大小的整数起作用：

template <typename T>
static inline T
hton_any(const T &input)
{
    T output(0);
    const std::size_t size = sizeof(input);
    uint8_t *data = reinterpret_cast<uint8_t *>(&output);

    for (std::size_t i = 0; i < size; i++) {
        data[i] = input >> ((size - i - 1) * 8);
    }

    return output;
}

现在您的 128 位也是安全的！

解决方案 3：

快速回答

#include <endian.h>    // __BYTE_ORDER __LITTLE_ENDIAN
#include <byteswap.h>  // bswap_64()

uint64_t value = 0x1122334455667788;

#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
value = bswap_64(value);  // Compiler builtin GCC/Clang
#endif

头文件

正如zhaorufei所报告的（参见她/他的评论）endian.h，不是 C++ 标准头文件，并且宏__BYTE_ORDER和__LITTLE_ENDIAN可能未定义。因此，该#if语句不可预测，因为未定义的宏被视为0。

如果您想分享检测字节顺序的 C++ 优雅技巧，请编辑此答案。

可移植性

此外，该宏bswap_64()适用于 GCC 和 Clang 编译器，但不适用于 Visual C++ 编译器。为了提供可移植的源代码，您可能会受到以下代码片段的启发：

#ifdef _MSC_VER
  #include <stdlib.h>
  #define bswap_16(x) _byteswap_ushort(x)
  #define bswap_32(x) _byteswap_ulong(x)
  #define bswap_64(x) _byteswap_uint64(x)
#else
  #include <byteswap.h>  // bswap_16 bswap_32 bswap_64
#endif

另请参阅更便携的源代码：跨平台_byteswap_uint64

C++14constexpr模板函数

通用hton()16 位、32 位、64 位及更多...

#include <endian.h>   // __BYTE_ORDER __LITTLE_ENDIAN
#include <algorithm>  // std::reverse()

template <typename T>
constexpr T htonT (T value) noexcept
{
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
  char* ptr = reinterpret_cast<char*>(&value);
  std::reverse(ptr, ptr + sizeof(T));
#endif
  return value;
}

C++11constexpr模板函数

  • C++11 不允许constexpr函数中有局部变量。

因此，诀窍是使用具有默认值的参数。

  • 此外，C++11constexpr函数必须包含一个表达式。因此，函数体由一个 return 和一些逗号分隔的语句

组成。

template <typename T>
constexpr T htonT (T value, char* ptr=0) noexcept
{
  return 
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
    ptr = reinterpret_cast<char*>(&value), 
    std::reverse(ptr, ptr + sizeof(T)),
#endif
    value;
}

在 clang-3.5 和 GCC-4.9 上使用时均无编译警告（参见coliru-Wall -Wextra -pedantic

上的编译和运行输出）。

C++11constexpr模板 SFINAE 函数

但是上述版本不允许创建constexpr变量，如下所示：

constexpr int32_t hton_six = htonT( int32_t(6) );

最后，我们需要根据 16/32/64 位分离（专门化）函数。

但我们仍然可以保留通用函数。 （请参阅coliru

上的完整代码片段）

下面的 C++11 代码片段使用特征 std::enable_if来利用替换失败不是错误(SFINAE)。

template <typename T>
constexpr typename std::enable_if<sizeof(T) == 2, T>::type
htonT (T value) noexcept
{
   return  ((value & 0x00FF) << 8)
         | ((value & 0xFF00) >> 8);
}

template <typename T>
constexpr typename std::enable_if<sizeof(T) == 4, T>::type
htonT (T value) noexcept
{
   return  ((value & 0x000000FF) << 24)
         | ((value & 0x0000FF00) <<  8)
         | ((value & 0x00FF0000) >>  8)
         | ((value & 0xFF000000) >> 24);
}

template <typename T>
constexpr typename std::enable_if<sizeof(T) == 8, T>::type
htonT (T value) noexcept
{
   return  ((value & 0xFF00000000000000ull) >> 56)
         | ((value & 0x00FF000000000000ull) >> 40)
         | ((value & 0x0000FF0000000000ull) >> 24)
         | ((value & 0x000000FF00000000ull) >>  8)
         | ((value & 0x00000000FF000000ull) <<  8)
         | ((value & 0x0000000000FF0000ull) << 24)
         | ((value & 0x000000000000FF00ull) << 40)
         | ((value & 0x00000000000000FFull) << 56);
}

或者基于内置编译器宏和 C++14 语法的更短版本std::enable_if_t<xxx>作为快捷方式std::enable_if<xxx>::type：

template <typename T>
constexpr typename std::enable_if_t<sizeof(T) == 2, T>
htonT (T value) noexcept
{
    return bswap_16(value);  // __bswap_constant_16
}

template <typename T>
constexpr typename std::enable_if_t<sizeof(T) == 4, T>
htonT (T value) noexcept
{
    return bswap_32(value);  // __bswap_constant_32
}

template <typename T>
constexpr typename std::enable_if_t<sizeof(T) == 8, T>
htonT (T value) noexcept
{
    return bswap_64(value);  // __bswap_constant_64
}

第一版测试代码

std::uint8_t uc = 'B';                  std::cout <<std::setw(16)<< uc <<'
';
uc = htonT( uc );                       std::cout <<std::setw(16)<< uc <<'
';

std::uint16_t us = 0x1122;              std::cout <<std::setw(16)<< us <<'
';
us = htonT( us );                       std::cout <<std::setw(16)<< us <<'
';

std::uint32_t ul = 0x11223344;          std::cout <<std::setw(16)<< ul <<'
';
ul = htonT( ul );                       std::cout <<std::setw(16)<< ul <<'
';

std::uint64_t uL = 0x1122334455667788; std::cout <<std::setw(16)<< uL <<'
';
uL = htonT( uL );                      std::cout <<std::setw(16)<< uL <<'
';

第二版测试代码

constexpr uint8_t  a1 = 'B';               std::cout<<std::setw(16)<<a1<<'
';
constexpr auto     b1 = htonT(a1);         std::cout<<std::setw(16)<<b1<<'
';

constexpr uint16_t a2 = 0x1122;            std::cout<<std::setw(16)<<a2<<'
';
constexpr auto     b2 = htonT(a2);         std::cout<<std::setw(16)<<b2<<'
';

constexpr uint32_t a4 = 0x11223344;        std::cout<<std::setw(16)<<a4<<'
';
constexpr auto     b4 = htonT(a4);         std::cout<<std::setw(16)<<b4<<'
';

constexpr uint64_t a8 = 0x1122334455667788;std::cout<<std::setw(16)<<a8<<'
';
constexpr auto     b8 = htonT(a8);         std::cout<<std::setw(16)<<b8<<'
';

输出

               B
               B
            1122
            2211
        11223344
        44332211
1122334455667788
8877665544332211

代码生成

在线 C++ 编译器gcc.godbolt.org指示生成的代码。

g++-4.9.2 -std=c++14 -O3

std::enable_if<(sizeof (unsigned char))==(1), unsigned char>::type htonT<unsigned char>(unsigned char):
    movl    %edi, %eax
    ret
std::enable_if<(sizeof (unsigned short))==(2), unsigned short>::type htonT<unsigned short>(unsigned short):
    movl    %edi, %eax
    rolw    $8, %ax
    ret
std::enable_if<(sizeof (unsigned int))==(4), unsigned int>::type htonT<unsigned int>(unsigned int):
    movl    %edi, %eax
    bswap   %eax
    ret
std::enable_if<(sizeof (unsigned long))==(8), unsigned long>::type htonT<unsigned long>(unsigned long):
    movq    %rdi, %rax
    bswap   %rax
    ret

clang++-3.5.1 -std=c++14 -O3

std::enable_if<(sizeof (unsigned char))==(1), unsigned char>::type htonT<unsigned char>(unsigned char): # @std::enable_if<(sizeof (unsigned char))==(1), unsigned char>::type htonT<unsigned char>(unsigned char)
    movl    %edi, %eax
    retq

std::enable_if<(sizeof (unsigned short))==(2), unsigned short>::type htonT<unsigned short>(unsigned short): # @std::enable_if<(sizeof (unsigned short))==(2), unsigned short>::type htonT<unsigned short>(unsigned short)
    rolw    $8, %di
    movzwl  %di, %eax
    retq

std::enable_if<(sizeof (unsigned int))==(4), unsigned int>::type htonT<unsigned int>(unsigned int): # @std::enable_if<(sizeof (unsigned int))==(4), unsigned int>::type htonT<unsigned int>(unsigned int)
    bswapl  %edi
    movl    %edi, %eax
    retq

std::enable_if<(sizeof (unsigned long))==(8), unsigned long>::type htonT<unsigned long>(unsigned long): # @std::enable_if<(sizeof (unsigned long))==(8), unsigned long>::type htonT<unsigned long>(unsigned long)
    bswapq  %rdi
    movq    %rdi, %rax
    retq

注意：我最初的答案不constexpr符合 C++11 标准。

本答案属于公共领域 CC0 1.0 Universal

解决方案 4：

要检测您的字节序，请使用以下联合：

union {
    unsigned long long ull;
    char c[8];
} x;
x.ull = 0x0123456789abcdef; // may need special suffix for ULL.

然后您可以检查内容x.c[]来检测每个字节去了哪里。

为了进行转换，我将使用一次检测代码来查看平台正在使用的字节顺序，然后编写我自己的函数来进行交换。

您可以使其动态化，以便代码可以在任何平台上运行（检测一次，然后使用转换代码中的开关选择正确的转换），但是，如果您只使用一个平台，我只需在单独的程序中执行一次检测，然后编写一个简单的转换例程，确保记录它仅在该平台上运行（或已经过测试）。

以下是我为了说明这一点而编写的一些示例代码。虽然测试得不够彻底，但应该足以让您入门。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define TYP_INIT 0
#define TYP_SMLE 1
#define TYP_BIGE 2

static unsigned long long cvt(unsigned long long src) {
    static int typ = TYP_INIT;
    unsigned char c;
    union {
        unsigned long long ull;
        unsigned char c[8];
    } x;

    if (typ == TYP_INIT) {
        x.ull = 0x01;
        typ = (x.c[7] == 0x01) ? TYP_BIGE : TYP_SMLE;
    }

    if (typ == TYP_SMLE)
        return src;

    x.ull = src;
    c = x.c[0]; x.c[0] = x.c[7]; x.c[7] = c;
    c = x.c[1]; x.c[1] = x.c[6]; x.c[6] = c;
    c = x.c[2]; x.c[2] = x.c[5]; x.c[5] = c;
    c = x.c[3]; x.c[3] = x.c[4]; x.c[4] = c;
    return x.ull;
}

int main (void) {
    unsigned long long ull = 1;
    ull = cvt (ull);
    printf ("%llu
",ull);
    return 0;
}

请记住，这只是检查纯大/小端顺序。如果你有一些奇怪的变体，其中字节存储顺序，例如 {5,2,3,1,0,7,6,4}，cvt()将会稍微复杂一些。这样的架构不应该存在，但我并不否认我们微处理器行业的朋友的疯狂 :-)

还请记住，这在技术上是未定义的行为，因为您不应该通过除最后写入的字段之外的任何字段访问联合成员。它可能适用于大多数实现，但从纯粹主义者的角度来看，您可能应该咬紧牙关，使用宏来定义自己的例程，例如：

// Assumes 64-bit unsigned long long.
unsigned long long switchOrderFn (unsigned long long in) {
    in  = (in && 0xff00000000000000ULL) >> 56
        | (in && 0x00ff000000000000ULL) >> 40
        | (in && 0x0000ff0000000000ULL) >> 24
        | (in && 0x000000ff00000000ULL) >> 8
        | (in && 0x00000000ff000000ULL) << 8
        | (in && 0x0000000000ff0000ULL) << 24
        | (in && 0x000000000000ff00ULL) << 40
        | (in && 0x00000000000000ffULL) << 56;
    return in;
}
#ifdef ULONG_IS_NET_ORDER
    #define switchOrder(n) (n)
#else
    #define switchOrder(n) switchOrderFn(n)
#endif

解决方案 5：

一些 BSD 系统betoh64可以满足您的需要。

解决方案 6：

用于小端机器上 64 位交换的一行宏。

#define bswap64(y) (((uint64_t)ntohl(y)) << 32 | ntohl(y>>32))

解决方案 7：

那么通用版本如何呢，它不依赖于输入大小（上面的某些实现假设unsigned long long是 64 位，但这并不总是正确的）：

    // converts an arbitrary large integer (preferrably >=64 bits) from big endian to host machine endian
    template<typename T> static inline T bigen2host(const T& x)
    {
        static const int one = 1;
        static const char sig = *(char*)&one; 

        if (sig == 0) return x; // for big endian machine just return the input

        T ret;
        int size = sizeof(T);
        char* src = (char*)&x + sizeof(T) - 1;
        char* dst = (char*)&ret;

        while (size-- > 0) *dst++ = *src--;

        return ret;
    }

解决方案 8：

uint32_t SwapShort(uint16_t a)
{
  a = ((a & 0x00FF) << 8) | ((a & 0xFF00) >> 8);
  return a;
}

uint32_t SwapWord(uint32_t a)
{
  a = ((a & 0x000000FF) << 24) |
      ((a & 0x0000FF00) <<  8) |
      ((a & 0x00FF0000) >>  8) |
      ((a & 0xFF000000) >> 24);
  return a;
}

uint64_t SwapDWord(uint64_t a)
{
  a = ((a & 0x00000000000000FFULL) << 56) | 
      ((a & 0x000000000000FF00ULL) << 40) | 
      ((a & 0x0000000000FF0000ULL) << 24) | 
      ((a & 0x00000000FF000000ULL) <<  8) | 
      ((a & 0x000000FF00000000ULL) >>  8) | 
      ((a & 0x0000FF0000000000ULL) >> 24) | 
      ((a & 0x00FF000000000000ULL) >> 40) | 
      ((a & 0xFF00000000000000ULL) >> 56);
  return a;
}

解决方案 9：

怎么样：

#define ntohll(x) ( ( (uint64_t)(ntohl( (uint32_t)((x << 32) >> 32) )) << 32) | 
    ntohl( ((uint32_t)(x >> 32)) ) )                                        
#define htonll(x) ntohll(x)

解决方案 10：

我喜欢 union 的答案，非常简洁。通常我只需要位移位来在小端和大端之间转换，尽管我认为 union 解决方案的分配较少，并且可能更快：

//note UINT64_C_LITERAL is a macro that appends the correct prefix
//for the literal on that platform
inline void endianFlip(unsigned long long& Value)
{
   Value=
   ((Value &   UINT64_C_LITERAL(0x00000000000000FF)) << 56) |
   ((Value &   UINT64_C_LITERAL(0x000000000000FF00)) << 40) |
   ((Value &   UINT64_C_LITERAL(0x0000000000FF0000)) << 24) |
   ((Value &   UINT64_C_LITERAL(0x00000000FF000000)) << 8)  |
   ((Value &   UINT64_C_LITERAL(0x000000FF00000000)) >> 8)  | 
   ((Value &   UINT64_C_LITERAL(0x0000FF0000000000)) >> 24) |
   ((Value &   UINT64_C_LITERAL(0x00FF000000000000)) >> 40) |
   ((Value &   UINT64_C_LITERAL(0xFF00000000000000)) >> 56);
}

然后，为了检测您是否需要在没有宏魔法的情况下进行翻转，您可以做与 Pax 类似的事情，当将短整型分配给 0x0001 时，在相反的字节序系统上它将是 0x0100。

所以：

unsigned long long numberToSystemEndian
(
    unsigned long long In, 
    unsigned short SourceEndian
)
{
   if (SourceEndian != 1)
   {
      //from an opposite endian system
      endianFlip(In);
   }
   return In;
}

因此，要使用此功能，您需要使用 SourceEndian 作为指示符来传达输入数字的字节序。这可以存储在文件中（如果这是序列化问题），也可以通过网络进行通信（如果这是网络序列化问题）。

解决方案 11：

一个简单的方法是分别对这两个部分使用 ntohl：

unsigned long long htonll(unsigned long long v) {
    union { unsigned long lv[2]; unsigned long long llv; } u;
    u.lv[0] = htonl(v >> 32);
    u.lv[1] = htonl(v & 0xFFFFFFFFULL);
    return u.llv;
}

unsigned long long ntohll(unsigned long long v) {
    union { unsigned long lv[2]; unsigned long long llv; } u;
    u.llv = v;
    return ((unsigned long long)ntohl(u.lv[0]) << 32) | (unsigned long long)ntohl(u.lv[1]);
}

解决方案 12：

htonl可以通过以下步骤完成

  • 如果是大端系统，则直接返回值。无需进行任何转换。如果是小端系统，则需要进行以下转换。

  • 取 LSB 32 位并应用“htonl”并移位 32 次。

  • 取 MSB 32 位（通过将 uint64_t 值向右移动 32 次）并应用“htonl”

  • 现在对第 2 步和第 3 步中收到的值进行按位或运算。

同样地ntohll，对于

#define HTONLL(x) ((1==htonl(1)) ? (x) : (((uint64_t)htonl((x) & 0xFFFFFFFFUL)) << 32) | htonl((uint32_t)((x) >> 32)))
#define NTOHLL(x) ((1==ntohl(1)) ? (x) : (((uint64_t)ntohl((x) & 0xFFFFFFFFUL)) << 32) | ntohl((uint32_t)((x) >> 32)))

您也可以将以上 2 个定义声明为函数。

解决方案 13：

template <typename T>
static T ntoh_any(T t)
{
    static const unsigned char int_bytes[sizeof(int)] = {0xFF};
    static const int msb_0xFF = 0xFF << (sizeof(int) - 1) * CHAR_BIT;
    static bool host_is_big_endian = (*(reinterpret_cast<const int *>(int_bytes)) & msb_0xFF ) != 0;
    if (host_is_big_endian) { return t; }

    unsigned char * ptr = reinterpret_cast<unsigned char *>(&t);
    std::reverse(ptr, ptr + sizeof(t) );
    return t;
}

适用于 2 字节、4 字节、8 字节和 16 字节（如果您有 128 位整数）。应独立于操作系统/平台。

解决方案 14：

假设你正在使用 64 位操作系统的 Linux 上编码；大多数系统都有htole(x)或等，这些通常是各种ntobe(x)的宏bswap

#include <endian.h>
#include <byteswap.h>

unsigned long long htonll(unsigned long long val)
{
    if (__BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN) return (val);
    else return __bswap_64(val);
}

unsigned long long ntohll(unsigned long long val)
{
    if (__BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN) return (val);
    else return __bswap_64(val);
}

附注：这些只是用来交换字节顺序的函数。例如，如果您在大端网络中使用小端，但如果您使用大端编码，那么这将不必要地反转字节顺序，因此if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN可能需要进行一些“”检查，以使您的代码更具可移植性，具体取决于您的需求。

更新：编辑以显示字节序检查的示例

解决方案 15：

适合任何值大小的通用函数。

template <typename T>
T swap_endian (T value)
{
    union {
        T src;
        unsigned char dst[sizeof(T)];
    } source, dest;

    source.src = value;
    for (size_t k = 0; k < sizeof(T); ++k)
        dest.dst[k] = source.dst[sizeof(T) - k - 1];

    return dest.src;
}

解决方案 16：

union help64
{
    unsigned char byte[8];
    uint64_t quad;
};
uint64_t ntoh64(uint64_t src)
{
    help64 tmp;
    tmp.quad = src;
    uint64_t dst = 0;
    for(int i = 0; i < 8; ++i)
        dst = (dst << 8) + tmp.byte[i];
    return dst;
}

解决方案 17：

通常，将主机整数转换为网络顺序时，无需知道机器的字节顺序。不幸的是，这仅在以字节而不是另一个整数形式写出网络顺序值时才成立：

static inline void short_to_network_order(uchar *output, uint16_t in)
{
    output[0] = in>>8&0xff;
    output[1] = in&0xff;
}

（根据需要扩展以获得更大的数字）。

这将 (a) 适用于任何架构，因为我从未使用过有关整数在内存中布局方式的特殊知识，并且 (b) 应该主要在 big-endian 架构中进行优化，因为现代编译器并不愚蠢。

当然，缺点是，这不是与 htonl() 及其朋友相同的标准接口（我不认为这是一个缺点，因为 htonl() 的设计在我看来是一个糟糕的选择）。

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