西工大CSAPP第二章课后题2.55答案及解析

因为我获取并阅读CSAPP电子书的方式是通过第三方网站免费下载，没有付给原书作者相应的报酬，遵循价值交换原则，我会尽我所能通过博客的方式，推广这本书以及原书作者就职的大学，以此回馈原书作者的劳动成果。另外，由于西工大让我能够不认真听课、不好好写作业、糊弄考试还能过，有了很多很多时间做自己认为对社会有价值的事情，所以感谢西工大对我的宽容与支持。

2.55 在你能接触到的不同机器上，使用show-bytes.c文件中的show-bytes，编译并且运行样例代码，决定被这些机器所使用的字节顺序。

首先我们要获取到show-bytes.c文件，在Edge浏览器中输入“CSAPP”，发现第一个网站就是Carnegie Mellon University的官网，网址是CS:APP3e, Bryant and O'Hallaron，这本书就是被这所大学的几个教授联合编写的。单击进入网站后，单击选择“Student Site”，Student Site汇总了作为学生的读者为了帮助理解原书中的概念、原理、解决方案、题目、实验材料等，所需要的所有线上材料。进入Student Site之后，单击选择”Material from the CS:APP Textbook“标题下面的“Code examples”，"Material from the CS:APP Textbook"囊括了CS:APP这本书中，所有可能需要的电子版材料，"Code examples"囊括可CS:APP这本书中，所有可能需要用到的代码文件，2.55题目中所要求的"show-bytes.c"文件就处在"Code examples"中。进入"Code examples"之后，浏览内容，就能找到"show-bytes.c"文件，单击定位到的“show-bytes”后，我们就能看到"show-bytes.c"的内容。如果你发现，这时候界面网址是：csapp.cs.cmu.edu/3e/ics3/code/data/show-bytes.c，就说明你成功找到了"show-bytes.c"文件。复制页面中的所有内容，并将它粘贴到任意的记事本文件中。为了帮助理解"show-bytes.c"文件中各部分代码的功能，"show-bytes.c"文件的内容将被显示在下面：

/* $begin show-bytes */
#include 
/* $end show-bytes */
#include 
#include 
/* $begin show-bytes */

typedef unsigned char *byte_pointer;

void show_bytes(byte_pointer start, size_t len) {
    size_t i;
    for (i = 0; i < len; i++)
	printf(" %.2x", start[i]);    //line:data:show_bytes_printf
    printf("\n");
}

void show_int(int x) {
    show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(int)); //line:data:show_bytes_amp1
}

void show_float(float x) {
    show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(float)); //line:data:show_bytes_amp2
}

void show_pointer(void *x) {
    show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(void *)); //line:data:show_bytes_amp3
}
/* $end show-bytes */


/* $begin test-show-bytes */
void test_show_bytes(int val) {
    int ival = val;
    float fval = (float) ival;
    int *pval = &ival;
    show_int(ival);
    show_float(fval);
    show_pointer(pval);
}
/* $end test-show-bytes */

void simple_show_a() {
/* $begin simple-show-a */
int val = 0x87654321;
byte_pointer valp = (byte_pointer) &val;
show_bytes(valp, 1); /* A. */
show_bytes(valp, 2); /* B. */
show_bytes(valp, 3); /* C. */
/* $end simple-show-a */
}

void simple_show_b() {
/* $begin simple-show-b */
int val = 0x12345678;
byte_pointer valp = (byte_pointer) &val;
show_bytes(valp, 1); /* A. */
show_bytes(valp, 2); /* B. */
show_bytes(valp, 3); /* C. */
/* $end simple-show-b */
}

void float_eg() {
  int x = 3490593;
  float f = (float) x;
  printf("For x = %d\n", x);
  show_int(x);
  show_float(f);

  x = 3510593;
  f = (float) x;
  printf("For x = %d\n", x);
  show_int(x);
  show_float(f);

}

void string_ueg() {
/* $begin show-ustring */
const char *s = "ABCDEF";
show_bytes((byte_pointer) s, strlen(s)); 
/* $end show-ustring */
}

void string_leg() {
/* $begin show-lstring */
const char *s = "abcdef";
show_bytes((byte_pointer) s, strlen(s)); 
/* $end show-lstring */
}

void show_twocomp() 
{
/* $begin show-twocomp */
    short x = 12345; 
    short mx = -x; 
    
    show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(short)); 
    show_bytes((byte_pointer) &mx, sizeof(short)); 
/* $end show-twocomp */
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int val = 12345;

    if (argc > 1) {
	if (argc > 1) {
	    val = strtol(argv[1], NULL, 0);
	}
	printf("calling test_show_bytes\n");
	test_show_bytes(val);
    } else {
	printf("calling show_twocomp\n");
	show_twocomp();
	printf("Calling simple_show_a\n");
	simple_show_a();
	printf("Calling simple_show_b\n");
	simple_show_b();
	printf("Calling float_eg\n");
	float_eg();
	printf("Calling string_ueg\n");
	string_ueg();
	printf("Calling string_leg\n");
	string_leg();
    }
    return 0;
}

接下来读题目。题目要求，这个代码应该被运行在多种机器上。考虑到目前市面上个人用计算机的CPU生产厂家几乎都是Intel，而适配Intel生产的CPU的机器几乎都是用一样的字节顺序，所以我们没有办法在使用不同字节顺序的机器上运行"show-bytes.c"代码。那么，在我们的运行Windows操作系统的个人用计算机上，打开Powershell并且进入到粘贴有"show-bytes.c"代码的txt文件的目录中，使用gcc编译"show-bytes.c"文件以得到"show-bytes.exe"可执行文件，接着执行该可执行文件，得到了如下图所示的运行结果：

PS D:\C> dir -Filter a10292023.c

    Directory: D:\C

Mode                 LastWriteTime         Length Name
----                 -------------         ------ ----
-a---          10/29/2023 10:31 AM           2763 a10292023.c

PS D:\C> gcc -o a10292023 a10292023.c
PS D:\C> .\a10292023.exe
calling show_twocomp
 39 30
 c7 cf
Calling simple_show_a
 21
 21 43
 21 43 65
Calling simple_show_b
 78
 78 56
 78 56 34
Calling float_eg
For x = 3490593
 21 43 35 00
 84 0c 55 4a
For x = 3510593
 41 91 35 00
 04 45 56 4a
Calling string_ueg
 41 42 43 44 45 46
Calling string_leg
 61 62 63 64 65 66

在Powershell中，"dir"命令使得当前目录下的所有文件被输出在Powershell中，配合使用"-Filter"选项以及"a10292023.c"参数，过滤掉"dir"命令的输出结果，使得当前目录下只有名为"a10292023.c"的文件才会被输出在Powershell中（被执行粘贴操作，并且保存有"show-bytes.c "文件内容的记事本文件的名称是"a10292023.c"）。通过这条命令，我们确保"a10292023.c"文件就处在当前的工作目录下，这样子在使用gcc命令编译文件时，就不会出现文件未找到的错误。接着使用"gcc -o a10292023 a10292023.c"命令编译"a10292023.c"文件，其中"-o"选项以及"a10292023"参数表明将要被生成的可执行文件的名称是"a10292023"，但考虑到Windows系统为了帮助使用者区分不同文件类型，会自动在文件后添加相应的文件后缀，比如".msi"、".iso"、".exe"，所以将要被生成的可执行文件的名称是"a10292023.exe"。接下来我们运行该可执行文件，".\a10292023.exe"，".\"表示在当前工作目录下，"\"是专门应用于Windows系统中的，在相对路径和绝对路径中，连接目录和目录下文件的符号，注意与Linux系统中使用的"/"做区分。之后便得到了上图的结果。

为了确定该机器使用的字节顺序，我们需要参照代码执行的结果。但是为了更好理解代码执行的结果，我们仍需要参考源文件中的主函数部分。在"a10292023.c"文件中，"int main(int argc, char* argv[])"表示定义一个main函数，main函数的返回值是int类型。它有两个参数，一个是int型的变量argc，另一个是数组argv，数组argv中的元素都是指针，指向字符串。当Powershell中的命令是"PS D:\C> a10292023.exe"时，argc的值为1，argv[0]的值为“a10292023.exe。当Powershell中的命令是“PS D:\C> a10292023.exe 0x80000000”时，argc的值为2，argv[0]的值为"a10292023.exe"，argv[1]的值为"0x80000000"。"int val=12345;"一个有符号整形变量val被定义并且初始化，val的值被初始化为12345。接着判断"argc>1"，如果argc大于1，那么就意味着，在Powershell中输入"a10292023.exe"时，后面还添加了一个参数，而且这个参数已经以字符串的形式被保存在argv[1]字符数组中。在这里"if(argc>1)"出现了两次，我认为是错误的。考虑到我们初次运行"a10292023.exe"文件，遵循从简到繁的原则，先不带参数运行"a10292023.exe"，所以我们跳过"argc>1"时的情况，转而去看else下的情况。在else中，"printf("calling show_twocomp\n");"在Powershell中输出"calling show_twocomp"这句话，"show_twocomp();"表示，调用"show_twocomp()"函数。"printf("Calling simple_show_a\n");"在Powershell中输出"Calling simple_show_a"这句话，"simple_show_a();"表示，调用"simple_show_a()"函数，"printf("Calling simple_show_b\n");"表示在Powershell中输出"Calling simple_show_b"这句话，"simple_show_b();"表示调用"simple_show_b()"函数，"printf("Calling float_eg\n");"表示在Powershell中输出"Calling float_eg"这句话，"float_eg();"表示调用"simple_show_b"函数。剩下的4句执行类似的操作。我们接下来看这6个函数：

首先是"show_twocomp()"函数，"void show_twocomp()"表示"show_twocomp()"函数是一个既没有返回值，又没有参数的函数。忽略掉"/* $begin show-twocomp */"注释，"short x = 12345;"表示一个有符号短整型变量x被定义，并且变量x的值被初始化为12345，"short mx = -x;"表示一个有符号短整型变量mx被定义，并且变量mx的值被初始化为-12345。"show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(short));"表示调用show_bytes函数，并将变量x的地址、有符号短整型变量的长度（以字节为单位）这两个参数传给show_bytes函数。考虑到show_bytes函数将会在整个程序中被频繁用到，将show_bytes函数的内容显示在下面并辅以讲解：

void show_bytes(byte_pointer start, size_t len) {
    size_t i;
    for (i = 0; i < len; i++)
	printf(" %.2x", start[i]);    //line:data:show_bytes_printf
    printf("\n");
}

"void show_bytes(byte_pointer start, size_t len)"表示"show_bytes"函数是一个没有返回值的函数，并且需要两个参数作为输入，一个是byte_pointer类型的变量"start"，另一个是"size_t"类型的变量"len"。在程序的开头有一个宏"typedef unsigned char *byte_pointer;"，意思是byte_pointer类型的变量的值，将会是无符号字符型变量的地址。"size_t"是一个无符号整型的数据类型，至于"size_t"类型的变量的长度，则将取决于具体的机器。"size_t i"表示定义一个"size_t"类型的变量i，但却不对变量i的值进行初始化。"for (i = 0; i < len; i++)"表示，循环len-0=len次。"printf(" %.2x", start[i]);"表示，在每一次循环中，都输出"start[i]"。"%.2x"中的".2"表示，至少输出2个字符，"x"表示以16进制形式输出。最后"printf("\n");"表示另起一行。

回到6个函数中的第1个函数"show_twocomp()"，"show_twocomp()"函数中的语句"show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(short));"表示调用show_bytes函数，并将变量x的地址、有符号短整型变量的长度（以字节为单位）这两个参数传给show_bytes函数。而变量x的值是12345，或者是0x3039，现在市面上普遍使用的笔记本电脑都使用64位Intel的CPU，对应的short类型变量的长度都是2字节，所以"sizeof(short)"的值是2。但是变量x在内存中的地址未知，不妨假设变量x在内存中的占据的空间的地址从0x004005f4开始，考虑到变量x的数据类型是short，占据2个字节，所以变量x在内存中占据的空间的地址在0x004005f5结束。进入show_bytes()函数，变量start的值是0x004005f4，变量len的值是2。在第一次循环中，printf将以无符号16进制整型的形式输出start[0]的值，start[0]=*(start+0)=*start，输出start[0]的值，意味着将输出内存中地址为0x004005f4的值。第二次循环中，printf同样以无符号16进制整型的形式输出start[1]的值，start[1]=*(start+1)，输出start[1]的值，意味着将输出内存中地址为0x004005f5的值。至此循环结束。运行的结果是"39 30"，这就表明内存中地址为0x004005f4的空间存储的是0x39，内存中地址为0x004005f5的空间存储的是0x30，即低地址存储低有效位，高地址存储高有效位，这就是小段的字节顺序。为什么printf以无符号16进制整型的形式输出一个变量的值，就能够输出这个变量在内存中分配到的空间中的值呢？因为无符号16进制整型数和机器数的对应关系是最简单最直观的，相比于有符号16进制整型数和机器数、浮点数和机器数而言。接着函数"show_twocomp()"中的语句"show_bytes((byte_pointer) &mx, sizeof(short));"接着调用show_bytes函数，同时将有符号短整型变量mx在内存中的地址、short类型的变量的大小这两个参数传给show_bytes函数。在Windows系统使用计算器，切换到程序员模式，在十进制模式输入-12345，然后切换到十六进制模式，得知-12345的用两个字节的十六进制表示是：0xcf c7。但是在Powershell中运行a10292023.exe，发现0xcfc7中，低位字节0xc7处在内存中的低地址，高位字节0xcf处在内存中的高地址。所以我们得知，被市面上大部分适配Intel64位CPU的笔记本采用的字节顺序是小端。

接着看6个函数中的第2个函数，"simple_show_a()"，"void simple_show_a()"表示"simple_show_a"函数没有返回值，并且也没有参数作为输入。"int val = 0x87654321;"表示定义一个有符号整型变量val，并将变量val的值初始化为0x87654321。"byte_pointer valp = (byte_pointer) &val;"表示定义一个byte_pointer类型的变量valp，指向变量val。"show_bytes(valp, 1); /* A. */"表示将valp和1作为参数，传给show_bytes函数。"show_bytes(valp, 2); /* B. */"与"show_bytes(valp, 3); /* C. */"同理。分析输出结果，我们不难得知，被市面上大部分适配Intel64位CPU的笔记本采用的字节顺序是小端。

6个函数中的第3个函数，"simple_show_b()"，除了有符号整型变量val的值被初始化为0x12345678之外，与第2个函数相同。

6个函数中的第4个函数，"float_eg()"，"int x = 3490593;"定义一个有符号整型变量x，并初始化变量x的值为3490593，用16进制形式可以表示为0x00354321，遵循IEEE的相关规定，变量x在内存中的值也为0x00354321。"float f = (float) x;"定义一个单精度浮点型变量f，并且初始化f的值为x，遵循IEEE对单精度浮点数格式的要求，得知变量f在内存中的值为：0x4a550c84。"printf("For x = %d\n", x); show_int(x); show_float(f);"在Powershell中输出"For x = 3490593"之后，调用"show_int()"和"show_float()"函数。最终在Powershell中，通过输出结果，我们能够得知，被市面上大部分适配Intel64位CPU的笔记本采用的字节顺序是小端。

6个函数中的第5、6个函数，需要注意的是，不要将数组中的元素在内存中的存放顺序与数组的索引之间的关系，和应用于整型、短整型、长整型、长长整型变量的字节顺序搞混。在数组中，元素的索引值小的将被存放在低地址，元素的索引值大的将被存放在高地址。

综上所述，我们得知，被市面上大部分适配Intel64位CPU的笔记本采用的字节顺序是小端。