大小端模式對 C 語言聯合體（union）內存佈局的影響實測

C 語言 union 所有成員共享同一塊內存，其內存佈局直接受 CPU 大小端模式決定。本文通過經典面試題實測驗證 x86 小端模式下 union {int i; char ch[2];} 的輸出差異，並解析大端模式下的理論結果。

實驗代碼

#include <stdio.h>

union {
    int i;
    char ch[2];
} key;

int main(void) {
    key.i = 65 * 256 + 66;  // 0x4142
    printf("%c %c\n", key.ch[0], key.ch[1]);
    return 0;
}

輸出結果（x86-64, Little-Endian）

B A

深度解析

內存佈局圖解

• 小端模式：低位字節存低地址。0x4142 低字節 0x42 ('B') 落在 ch[0]，高字節 0x41 ('A') 落在 ch[1]，故輸出 B A。
• 大端模式：高位字節存低地址。若同樣賦值 0x4142，則 ch[0]='A'、ch[1]='B'，輸出 A B。
• 補充：若 int 佔 4 字節，ch[2] 只覆蓋低 2 字節，高 2 字節保持為 0，大端下前兩字節為 0，輸出將是兩個不可見控制字符（空格/空字符）。

工程實踐啟示

1. 網絡編程：協議頭通常採用大端（網絡序），需用 htonl/ntohl 轉換，不可直接用 union 別名訪問。
2. 文件格式解析：BMP、WAV 等小端格式可直接映射 struct/union；JPEG、PNG 等大端格式需字節序轉換。
3. 跨平台序列化：嚴禁直接傳輸 union/struct 內存映像，必須定義明確序列化協議（Protocol Buffers, FlatBuffers, 手寫 pack/unpack）。
4. 編譯器屬性：GCC/Clang 支持 __attribute__((scalar_storage_order("big-endian"))) 強制結構體大端佈局（僅限標量字段），慎用。

快速檢測當前平台字節序

#include <stdio.h>
int main(void) {
    union { uint32_t i; char c[4]; } u = {0x01020304};
    printf("本機為 %s 模式\n", (u.c[0] == 0x04) ? "小端" : "大端");
    return 0;
}