为什么字符数组不给出无符号结果

Question

在这个项目中，我应该接收一个数据包，并将其中的一部分转换为一个无符号整数，并获得 Big-Endian 和 Little-Endian 结果。最初，我只想将字节数组（数据包）内的指针转换为无符号整数类型，该类型会自动将接收到的值放入 Big-Endian 形式，例如 (uint32_be_t*)packet;，类似于它自动放入 Little-Endian 的方式做(uint32_t*)packet时的形式。

由于找不到自动执行此操作的类型，因此我决定创建自己的结构，称为“u32”，它具有“get”方法，该方法以 Big-Endian 形式获取值，以及“get_le”它以 Little-Endian 形式获取值。但是，我注意到当我这样做时，我会从 Little-Endian 结果中得到一个否定的结果。

struct u32 {
    u8 data[4] = {};

    uint32_t get() {
        return ((uint32_t)data[3] << 0)
            | ((uint32_t)data[2] << 8)
            | ((uint32_t)data[1] << 16)
            | ((uint32_t)data[0] << 24);
    }
    
    uint32_t get_le() {
        return ((uint32_t)data[3] << 24)
            | ((uint32_t)data[2] << 16)
            | ((uint32_t)data[1] << 8)
            | ((uint32_t)data[0] << 0);
    }
};

为了模拟一个数据包，我只是创建了一个字符数组，然后像这样将一个 u32* 转换为它：

int main() {
    char ary[] = { 0x00, 0x00, 0x00, (char)0xF4 };
    u32* v = (u32*)ary;    
    printf("%d %d\n", v->get(), v->get_le());
    return 0;
}

然后我得到了结果：244 -201326592

为什么会这样？ “get_le”的返回类型是 uint32_t，第一个函数“get”应该返回 Big-Endian 无符号整数，它执行正确。

顺便说一句，这只是一个突然出现在我脑海中的测试，所以我去图书馆在类之间测试它，但不幸的是，这意味着我必须使用在线编译器 (onlinegdb)，但我认为它在 Visual Studio 中的工作方式相同。此外，如果您对如何改进我的代码有任何建议，我们将不胜感激。我正在使用 Visual Studio 2019，并且可以使用 cstdlib。

Answer 1

好吧，我敢说你想在那个printf()格式字符串中使用%u而不是%d！

%d 假定该值是有符号的，因此如果最高有效位是 1，则会得到一个减号。

Answer 2

有一种更优雅的方式来完成相同的任务。只需使用 uint32_t 代替。您可以使用std::memcpy 在char 数组和uint32_t 之间进行转换，而不会调用未定义的行为。这也是std::bit_cast 所做的。将 char* 重新解释为 int* 是未定义的行为。这不是问题的原因，因为 MSVC 允许这样做，但这并不是真正可移植的。

std::memcpy 转换或指针转换将使用本机字节顺序进行，即小端或大端。 您可以使用内置函数在字节顺序之间进行转换。对于 MSVC，这将是：

_byteswap_ulong(x); // unsigned long is uint32_t on Windows

请参阅documentation of _byteswap_ulong。这将编译为仅一条 x86 bswap 指令，这对于您的一系列班次来说不太可能。这可以将性能提高 10 倍。如果你想要可移植的代码，GCC 和 clang 有 __builtin_bswap。

您可以使用 std::endian 或者如果您没有 C++20，则可以使用 __BYTE_ORDER__ 宏来检测本机字节顺序。根据您的平台字节序，转换为 little-endian 或 big-endian 将只是什么都不做或执行字节交换。

#include <bit>
#include <cstring>
#include <cstdint>

uint32_t bswap(uint32_t x) {
    return _byteswap_ulong(x);
}

uint32_t to_be(uint32_t x) {
    return std::endian::native == std::endian::big ? x : bswap(x);
}

uint32_t to_le(uint32_t x) {
    return std::endian::native == std::endian::little ? x : bswap(x);
}

int main() {
    char ary[4] = { 0, 0, 0, (char) 0xF4 };
    uint32_t v;
    std::memcpy(&v, &ary, 4);
    
    printf("%u %u\n", to_be(v), to_le(v));
    return 0;
}