二进制与十六进制数据转换：原理、实现与应用

在计算机系统中，二进制与十六进制的相互转换是数据存储、网络传输、加密算法等场景中的基础操作。Linux内核中的lib/hexdump.c模块提供了三个关键函数：bin2hex、hex2bin和hex_to_bin，分别实现二进制到十六进制的转换、十六进制到二进制的转换，以及单个字符的十六进制解析。本文将从设计原理、实现细节和应用场景三个方面深入解析这些函数。

一、`bin2hex`：二进制数据转十六进制字符串

1. 功能与参数

功能：将二进制数据转换为可读的十六进制ASCII字符串。
参数：
- char *dst：目标缓冲区，需预分配至少2*count字节。
- const void *src：输入的二进制数据指针。
- size_t count：待转换的字节数。

2. 实现逻辑

复制代码

char *bin2hex(char *dst, const void *src, size_t count) {
    const unsigned char *_src = src;
    while (count--) 
        dst = hex_byte_pack(dst, *_src++);
    return dst;
}

逐字节处理 ：通过循环遍历每个字节，调用hex_byte_pack将其转换为两个十六进制字符。
hex_byte_pack ：将单个字节拆分为高4位和低4位，分别转换为对应的ASCII字符（如0xA3转为"A3"）。
返回值：返回目标缓冲区的末尾指针，便于链式操作。

3. 注意事项

缓冲区安全 ：调用者需确保dst有足够空间。
无终止符 ：函数不会自动添加\0，需手动处理字符串终止。

4. 应用场景

日志输出：将二进制数据转为可读字符串以便调试。
密钥显示：在加密场景中安全展示二进制密钥。

二、`hex2bin`：十六进制字符串转二进制数据

1. 功能与参数

功能：将十六进制ASCII字符串还原为二进制数据。
参数：
- u8 *dst：目标二进制缓冲区，需预分配至少count字节。
- const char *src：输入的十六进制字符串。
- size_t count：待转换的字节数（需满足strlen(src) >= 2*count）。

2. 实现逻辑

复制代码

int hex2bin(u8 *dst, const char *src, size_t count) {
    while (count--) {
        int hi = hex_to_bin(*src++); // 高4位
        int lo = hex_to_bin(*src++); // 低4位
        if (hi < 0 || lo < 0) return -EINVAL;
        *dst++ = (hi << 4) | lo;
    }
    return 0;
}

字符对处理：每两个字符组成一个字节，高4位在前，低4位在后。
错误检查 ：若字符非法（如'G'），立即返回错误码-EINVAL。

3. 注意事项

输入合法性 ：字符串必须为偶数长度，且字符范围为0-9、a-f、A-F。
大小写兼容 ：hex_to_bin函数统一处理大小写字母。

4. 应用场景

协议解析：解析网络协议中的十六进制字段。
密钥加载：将配置文件中存储的十六进制密钥转为二进制。

三、`hex_to_bin`：无分支的字符解析核心

1. 功能与设计目标

功能：将单个十六进制字符转为4位二进制值（0-15），非法字符返回-1。
设计目标：避免条件分支，防止侧信道攻击（对加密场景至关重要）。

2. 实现逻辑

复制代码

int hex_to_bin(unsigned char ch) {
    unsigned char cu = ch & 0xdf; // 小写转大写
    int part1 = (ch - '0' + 1) & (unsigned)((ch - '9' - 1) & ('0' - 1 - ch)) >> 8;
    int part2 = (cu - 'A' + 11) & (unsigned)((cu - 'F' - 1) & ('A' - 1 - cu)) >> 8;
    return -1 + part1 + part2;
}

数字字符处理 （0-9）：
- 通过算术运算生成掩码，合法字符返回1-10，非法返回0。
字母字符处理 （A-F/a-f）：
- 统一转为大写后，合法字符返回11-16，非法返回0。
合并结果 ：-1 + part1 + part2确保非法字符返回-1，合法字符返回正确值。

3. 无分支设计解析

掩码生成 ：通过符号位运算生成合法字符的掩码（如0xFFFFFF）。
值计算 ：将字符偏移量（如ch - '0'）与掩码按位与，避免if判断。

4. 示例验证

'3' → 3, 'A' → 10, 'f' → 15, 'X' → -1。

四、综合应用与总结

1. 协作流程

加密密钥处理：
1. 存储：使用bin2hex将二进制密钥转为十六进制字符串。
2. 加载：使用hex2bin反向解析，依赖hex_to_bin逐字符校验。

2. 性能与安全

无分支优势 ：hex_to_bin避免分支预测错误和时序攻击风险。
内存安全：调用者需确保缓冲区大小，防止溢出。

3. 扩展思考

Unicode支持：当前实现仅限ASCII字符，需扩展以支持宽字符。
错误处理增强 ：hex2bin可返回更详细的错误类型（如非法字符位置）。

4. 总结

bin2hex、hex2bin和hex_to_bin共同构建了一套高效、安全的进制转换工具链。其设计体现了以下原则：

效率优先：通过循环和位运算减少开销。
安全可靠：严格的输入校验和无分支设计。
接口简洁：清晰的参数约定和返回值语义。

这些函数不仅是Linux内核的基石，也可为其他系统开发提供借鉴，尤其在需要高频数据转换或安全敏感的场景中，其实现思路具有重要参考价值。

hex_to_bin

cpp 复制代码

**
 * hex_to_bin - convert a hex digit to its real value
 * @ch: ascii character represents hex digit
 *
 * hex_to_bin() converts one hex digit to its actual value or -1 in case of bad
 * input.
 *
 * This function is used to load cryptographic keys, so it is coded in such a
 * way that there are no conditions or memory accesses that depend on data.
 *
 * Explanation of the logic:
 * (ch - '9' - 1) is negative if ch <= '9'
 * ('0' - 1 - ch) is negative if ch >= '0'
 * we "and" these two values, so the result is negative if ch is in the range
 *	'0' ... '9'
 * we are only interested in the sign, so we do a shift ">> 8"; note that right
 *	shift of a negative value is implementation-defined, so we cast the
 *	value to (unsigned) before the shift --- we have 0xffffff if ch is in
 *	the range '0' ... '9', 0 otherwise
 * we "and" this value with (ch - '0' + 1) --- we have a value 1 ... 10 if ch is
 *	in the range '0' ... '9', 0 otherwise
 * we add this value to -1 --- we have a value 0 ... 9 if ch is in the range '0'
 *	... '9', -1 otherwise
 * the next line is similar to the previous one, but we need to decode both
 *	uppercase and lowercase letters, so we use (ch & 0xdf), which converts
 *	lowercase to uppercase
 */
int hex_to_bin(unsigned char ch)
{
	unsigned char cu = ch & 0xdf;
	return -1 +
		((ch - '0' +  1) & (unsigned)((ch - '9' - 1) & ('0' - 1 - ch)) >> 8) +
		((cu - 'A' + 11) & (unsigned)((cu - 'F' - 1) & ('A' - 1 - cu)) >> 8);
}
EXPORT_SYMBOL(hex_to_bin);

hex_to_bin 函数的作用是将单个十六进制字符（0-9, A-F, a-f）转换为对应的 4 位二进制值（0-15），若字符非法则返回 -1。以下是分步讲解：

1. 函数参数与目标

输入：unsigned char ch（一个 ASCII 字符）。
输出：
- 合法字符：返回对应的数值（0-15）。
- 非法字符：返回 -1。

2. 核心逻辑

函数通过位运算和算术运算，避免条件分支，直接计算字符的合法性及其对应的值。逻辑分为两部分：

处理数字 0-9。
处理字母 A-F/a-f（统一转为大写处理）。

3. 处理数字字符 `0-9`

复制代码

// 判断字符是否在 '0'-'9' 范围内，并计算对应值
int part1 = (ch - '0' + 1) & (unsigned)((ch - '9' - 1) & ('0' - 1 - ch)) >> 8);

步骤拆解：

范围检测：
- (ch - '9' - 1) < 0：若 ch <= '9'，结果为负。
- ('0' - 1 - ch) < 0：若 ch >= '0'，结果为负。
- 两者按位与后，结果为负 当且仅当 ch 在 '0'-'9' 范围内。
掩码生成：
- 将结果转为 unsigned 并右移 8 位，生成掩码 0xFFFFFF（合法）或 0（非法）。
值计算：
- 若合法，ch - '0' + 1 生成值 1-10，与掩码按位与后保留原值。
- 若非法，结果为 0。

4. 处理字母字符 `A-F/a-f`

复制代码

// 统一转为大写后，判断是否在 'A'-'F' 范围内，并计算对应值
unsigned char cu = ch & 0xdf;  // 小写转大写（如 'a' → 'A'）
int part2 = (cu - 'A' + 11) & (unsigned)((cu - 'F' - 1) & ('A' - 1 - cu)) >> 8);

步骤拆解：

小写转大写：
- ch & 0xdf 将小写字母转为大写（如 'a' → 'A'）。
范围检测：
- (cu - 'F' - 1) < 0：若 cu <= 'F'，结果为负。
- ('A' - 1 - cu) < 0：若 cu >= 'A'，结果为负。
- 两者按位与后，结果为负 当且仅当 cu 在 'A'-'F' 范围内。
掩码生成：
- 同上，生成掩码 0xFFFFFF 或 0。
值计算：
- 若合法，cu - 'A' + 11 生成值 11-16，与掩码按位与后保留原值。
- 若非法，结果为 0。

5. 合并结果

复制代码

return -1 + part1 + part2;

逻辑解释：

合法数字 ：part1 为 1-10，part2 为 0 → 结果为 0-9。
合法字母 ：part1 为 0，part2 为 11-16 → 结果为 10-15。
非法字符 ：part1 和 part2 均为 0 → 结果为 -1。

6. 示例验证

输入 '3'：
- part1 = 4（3 - '0' + 1 = 4），part2 = 0 → -1 + 4 + 0 = 3。
输入 'A'：
- part1 = 0，part2 = 11 → -1 + 0 + 11 = 10。
输入 'f'（转为 'F'）：
- part1 = 0，part2 = 16 → -1 + 0 + 16 = 15。
输入 'G'：
- part1 = 0，part2 = 0 → -1 + 0 + 0 = -1。

7. 设计优点

无分支：避免条件跳转，防止侧信道攻击（对加密场景至关重要）。
统一处理：小写字母通过位运算转为大写，简化逻辑。
紧凑高效：纯算术和位运算，适合高频调用场景。

8. 注意事项

依赖 ASCII 编码 ：假设字符编码为 ASCII（如 'A'-'F' 连续）。
不可变内存访问：所有操作基于寄存器计算，无依赖数据的访存。

总结

hex_to_bin 通过巧妙的位运算，将字符合法性检查和值计算合并为无分支的算术操作，兼顾安全性与效率，是处理十六进制字符的经典实现。

hex2bin

cpp 复制代码

lib\hexdump.c
/**
 * hex2bin - convert an ascii hexadecimal string to its binary representation
 * @dst: binary result
 * @src: ascii hexadecimal string
 * @count: result length
 *
 * Return 0 on success, -EINVAL in case of bad input.
 */
int hex2bin(u8 *dst, const char *src, size_t count)
{
	while (count--) {
		int hi, lo;

		hi = hex_to_bin(*src++);
		if (unlikely(hi < 0))
			return -EINVAL;
		lo = hex_to_bin(*src++);
		if (unlikely(lo < 0))
			return -EINVAL;

		*dst++ = (hi << 4) | lo;
	}
	return 0;
}
EXPORT_SYMBOL(hex2bin);

hex2bin 函数的作用是将十六进制的 ASCII 字符串转换为二进制数据。以下是分步讲解：

1. 函数参数

u8 *dst：目标缓冲区，用于存储转换后的二进制数据。
const char *src：输入的十六进制 ASCII 字符串。
size_t count：要转换的字节数（每个字节对应 2 个十六进制字符）。

2. 循环处理每个字节

复制代码

while (count--) {
    // 处理高 4 位和低 4 位
}

循环 count 次，每次处理一个字节（需要 2 个十六进制字符）。

3. 字符到二进制值的转换

复制代码

hi = hex_to_bin(*src++);  // 处理高 4 位
lo = hex_to_bin(*src++);  // 处理低 4 位

hex_to_bin 函数：
- 将单个十六进制字符（如 'A'、'3'）转换为对应的 4 位二进制值（0-15）。
- 若输入字符非法（非 0-9、a-f、A-F），返回负数。
字符处理顺序：
1. 先处理高 4 位（如 'A' 对应 0xA，左移 4 位后为 0xA0）。
2. 再处理低 4 位（如 '3' 对应 0x3，直接合并）。

4. 错误检测

复制代码

if (unlikely(hi < 0)) return -EINVAL;
if (unlikely(lo < 0)) return -EINVAL;

unlikely 宏：提示编译器错误是低概率事件，优化分支预测。
若 hi 或 lo 转换失败（非法字符），立即返回 -EINVAL。

5. 合并高 4 位和低 4 位

复制代码

*dst++ = (hi << 4) | lo;  // 合并为一个字节

将高 4 位左移后与低 4 位按位或，合并为一个完整的字节。
例如：
- hi = 0xA（'A'），lo = 0x3（'3'） → 0xA3。

6. 返回值

成功：返回 0。
失败：返回 -EINVAL（输入包含非法字符）。

7. 注意事项

输入合法性：
- src 必须是有效的十六进制字符串，每个字节对应 2 个字符。
- 若 src 长度不足 2*count，可能导致越界访问（需调用者确保）。
目标缓冲区大小：
- dst 必须有至少 count 字节的空间。
大小写不敏感：
- hex_to_bin 应正确处理大小写（如 'a' 和 'A' 均转换为 0xA）。

示例

假设 src = "1a2B"，count = 2：

第一个字节：
- hi = '1' → 0x1，lo = 'a' → 0xA → 合并为 0x1A。
第二个字节：
- hi = '2' → 0x2，lo = 'B' → 0xB → 合并为 0x2B。
dst 结果为 0x1A, 0x2B。

总结

hex2bin 逐字节将十六进制字符串转换为二进制数据，严格检测输入合法性，适用于需要反向解析十六进制字符串的场景（如协议解析、数据恢复）。调用者需确保输入格式正确，避免潜在的内存越界问题。

bin2hex

cpp 复制代码

/**
 * bin2hex - convert binary data to an ascii hexadecimal string
 * @dst: ascii hexadecimal result
 * @src: binary data
 * @count: binary data length
 */
char *bin2hex(char *dst, const void *src, size_t count)
{
	const unsigned char *_src = src;

	while (count--)
		dst = hex_byte_pack(dst, *_src++);
	return dst;
}
EXPORT_SYMBOL(bin2hex);

这个函数的作用是将二进制数据转换为十六进制的ASCII字符串。以下是分步讲解：

函数参数：
- char *dst：目标缓冲区，用于存储转换后的十六进制字符串。
- const void *src：源二进制数据的指针。
- size_t count：要转换的字节数。
类型转换：
- 将src转换为const unsigned char *类型，便于按字节处理。
循环处理每个字节：
- 使用while (count--)循环处理每个字节，共处理count次。
- 每次循环调用hex_byte_pack函数处理当前字节（*_src++），并将结果写入dst。
hex_byte_pack函数的作用：
- 将单个字节转换为两个十六进制字符，并写入dst。
- 例如，字节0xAB会被转换为字符'A'和'B'。
- 更新dst指针，使其指向下一个写入位置（即每次写入后dst增加2）。
返回值：
- 返回最终的dst指针，指向转换后的字符串末尾的下一个位置。这便于连续调用或计算长度。
注意事项：
- 目标缓冲区大小 ：调用者需确保dst有足够空间（至少2*count字节）。
- 字符串终止符：函数不会自动添加'\0'，调用者需手动添加以确保字符串正确终止。

示例：

假设src指向数据0x1A, 0x2B，count为2：

hex_byte_pack将0x1A转换为"1a"，0x2B转换为"2b"。
dst最终存储"1a2b"，返回指针指向"b"之后的位置。

总结：该函数高效地将二进制数据逐字节转换为十六进制字符串，适用于需要灵活处理多段数据拼接的场景。

二进制与十六进制数据转换：原理、实现与应用

一、bin2hex：二进制数据转十六进制字符串

1. 功能与参数

2. 实现逻辑

3. 注意事项

4. 应用场景

二、hex2bin：十六进制字符串转二进制数据

1. 功能与参数

2. 实现逻辑

3. 注意事项

4. 应用场景

三、hex_to_bin：无分支的字符解析核心

1. 功能与设计目标

2. 实现逻辑

3. 无分支设计解析

4. 示例验证

四、综合应用与总结

1. 协作流程

2. 性能与安全

3. 扩展思考

4. 总结

hex_to_bin

1. 函数参数与目标

2. 核心逻辑

3. 处理数字字符 0-9

步骤拆解：

4. 处理字母字符 A-F/a-f

步骤拆解：

5. 合并结果

逻辑解释：

6. 示例验证

7. 设计优点

8. 注意事项

总结

hex2bin

1. 函数参数

2. 循环处理每个字节

3. 字符到二进制值的转换

4. 错误检测

5. 合并高 4 位和低 4 位

6. 返回值

7. 注意事项

示例

总结

bin2hex

一、`bin2hex`：二进制数据转十六进制字符串

二、`hex2bin`：十六进制字符串转二进制数据

三、`hex_to_bin`：无分支的字符解析核心

3. 处理数字字符 `0-9`

4. 处理字母字符 `A-F/a-f`