技術文章 » 在實際應用中聯合體union的妙用

在實際應用中聯合體union的妙用

2022-12-07 12:03:47

       關鍵字union，又稱為聯合體、共用體，聯合體的宣告和結構體類似，但是它的行為方式又和結構體不同，這裡的行為方式主要指的是其在記憶體中的體現，結構體中的成員每一個佔據不同的記憶體空間，而聯合體中的所有成員共用的是記憶體中相同的位置。

       簡單看下區別：

1 struct MyStruct 
2 {
3     double a;
4     int b;
5     char c;
6 };
7 struct MyStruct value;
1 union MyUnion 
2 {
3     double a;
4     int b;
5     char c;
6 };
7 union MyUnion value;

       同樣是定義變數value；記憶體空間佔用情況如下：

       

　　可以看出，結構體變數中3個成員相當於3個人，每個人必須要住一間屋子，優點是空間包容性強，但是記憶體空間必須全部分配，不管房子住不住人。聯合體變數3個成員，它們可以共用一間屋子，但是每個屋子同一時間只能容納一個成員，因此不夠包容，成員是互斥的，但是可以大大節省記憶體空間。

　　要注意的是，聯合體的長度大小為最大的成員的大小，在本例中即value.a的大小。並不是單指資料型別，若在MyUnion定義了陣列char c[10]，則此時該聯合體變數value大小為10個位元組。

　　以上簡單的瞭解了下union的基本定義，在實際應用中我們一般都使用結構體來定義資料組合而成的結構型變數，而在各資料型別各變數佔用空間差不多並且對各變數同時使用要求不高的場合（單從記憶體使用上)也可以靈活的使用union。

  • 1、變數的初始化

       在初始化的時候，只應對一個成員進行初始化即在初始化列表中只有一個初始值。原因就是聯合體的所有成員共用一個首地址，在預設情況下，會將這個初始值初始化給聯合體變數的第一個成員。

 1 union MyUnion 
 2 {
 3     double a;
 4     int b;
 5     char c;
 6 };
 7 //為第一個成員初始化
 8 union MyUnion un1 = {5.0f};
 9 //錯誤初始化，不能為多個成員初始化
10 union MyUnion un1 = {5.0f, 10};
11 //對其它位置的成員進行初始化，則可以通過指定初始化方式
12 union MyUnion un1 = {.b = 10};
13 //與結構體一樣，也可以將一個聯合體變數作為初始值，直接初始化給同型別的另一個聯合體變數
14 union MyUnion un2 = un1;

  • 2、資料位元運算

 1 #include<stdio.h>
 2 typedef struct
 3 {
 4   unsigned char bit0:1;
 5   unsigned char bit1:1;
 6   unsigned char bit2:1;
 7   unsigned char bit3:1;
 8   unsigned char bit4:1;
 9   unsigned char bit5:1;
10   unsigned char bit6:1;
11   unsigned char bit7:1;
12 }bitValue;
13  
14 typedef union
15 {
16   unsigned char bytedata;
17   bitValue  bitdata; 
18 }regValue;
19  
20 int main()
21 {
22   regValue data;
23   data.bytedata= 0x5A;
24   printf("%d",data.bitdata.bit5);  //讀取第6位
25   data.bitdata.bit7 = 1;           //修改第8位元
26   return 0;
27 }

　　可以看出，通過存取和修改聯合體中的定義bitdata成員，可以間接的存取和修改定義的bytedata的值，這可以用在嵌入式的暫存器位元運算上。

  • 3、和struct巢狀使用

        比如我們分別定義電視和空調的屬性：

 1 struct tvFeature    //電視屬性
 2 {
 3    char *logo;     //品牌
 4    int price;      //價格
 5    int screensize  //螢幕尺寸  
 6    int resolution  //解析度 
 7 }tvFeature;
 8 struct tvFeature tvfeature;
 9  
10 struct airFeature  //空調屬性
11 {
12    char *logo; //品牌
13    int price;   //價格
14    int coldcapacity;//製冷量 
15    int hotcapacity;//制熱量
16 }airFeature;
17 struct airFeature airfeature;

　　可以看出電視和空調有相同的屬性，也有各自特有的屬性。我們可以使用家用電器的資料結構統一定義。但是這樣用統一的資料結構，定義電視和空調的變數之間耦合會增加很多，對於tvfeature和airfeature各自來說用不到的屬性也會浪費記憶體空間。

 1 struct homeappliancesFeature  //電器屬性
 2 {
 3    char *logo; //品牌
 4    int price;   //價格
 5    int screensize  //螢幕尺寸  
 6    int resolution  //解析度
 7    int coldcapacity;//製冷量 
 8    int hotcapacity;//制熱量
 9 }homeappliancesFeature;
10  
11 struct homeappliancesFeature tvfeature;
12 struct homeappliancesFeature airfeature;

 　　因此可以用union來解決問題：

 1 struct tvFeature    //電視屬性
 2 {
 3    int screensize  //螢幕尺寸  
 4    int resolution  //解析度 
 5 }tvFeature;
 6 struct airFeature  //空調屬性
 7 {
 8    int coldcapacity;//製冷量 
 9    int hotcapacity;//制熱量
10 }airFeature;
11  
12 struct homeappliancesFeature  //電器屬性
13 {
14    char *logo; //品牌
15    long country; //國家
16    union
17    {
18       struct tvFeature tvST;
19       struct airFeature airST;
20    };
21 };
22 struct homeappliancesFeature tvfeature;
23 struct homeappliancesFeature airfeature;

        如上我們只需一個結構體，就可以解決電視和空調的屬性不同問題；struct tvFeature tvST和struct airFeature airST共用一塊記憶體空間，定義變數時，可以存取各自的特有屬性，這樣就解決了記憶體浪費和變數耦合高的問題。

  • 4、資料複製

        例如串列埠資料傳送時，可以直接使用資料複製的方式將資料打包傳送，不需要將一個4位元組的資料額外進行拆分為4個單位元組的資料；反之讀取資料時，也可以不用將4個單位元組的資料重新通過移位拼接為一個4位元組資料。

 1 typedef union
 2 {
 3   uint8   data8[4];
 4   uint32  data32;
 5 }dataType;
 6  
 7 uint32 sendData = 0x5A5AA5A5;
 8 uint32 receiveData;
 9 dataType commSend;
10 void main(void)
11 {
12     uint8 commData[128];     
13     //資料複製
14     commData.data32 = sendData;    
15     //傳送資料,位元組複製,不需要再將commData.data32單獨移位拆分
16     commData[0]= commSend.data8[0];
17     commData[1]= commSend.data8[1];
18     commData[2]= commSend.data8[2];
19     commData[3]= commSend.data8[3];
20       
21     //讀取資料時,位元組複製,不需要再將已經讀取到的4個單位元組資料拼接 
22     receiveData =  commData.data32;  
23 }

  • 5、分時傳送不同幀格式資料

        比如需要在同一段通訊資料傳送邏輯中，針對不同通訊協定幀格式進行傳送時，就可以這樣定義資料結構。

 1 typedef struct 
 2 { 
 3    uint8 head;   //幀頭格式相同
 4    union    //中間資料格式不一樣
 5    {
 6       struct             //payloadType1  
 7       {
 8         uint8 cmd;
 9         uint8 type;
10         uint8 data[5];   
11         uint8 check;       
12       }msgType1;
13    
14       struct              //payloadType2    
15       {
16         uint16 cmd;     
17         uint8 data[8];   
18         uint16 check;       
19       }msgType2;  
20           
21      uint8 data[10];      //payloadType3  
22    } payloadType;
23    uint8 end;    //幀尾格式相同
24 }frameType;

　　By the way：在使用聯合體時可以注意這兩個點：

1、資料大小端

        使用聯合體時需要注意資料大小端問題，這個取決於實際的處理器的儲存方式。
        大端儲存就是高位元組資料放在低地址。
        小端儲存就是高位元組資料放在高地址。
        如下方例子，可以知道使用的處理器的儲存方式：

 1 #include<stdio.h>
 2 union Un
 3 {
 4   int i;
 5   char c;
 6 };
 7 union Un un;
 8  
 9 int main()
10 {
11   un.i = 0x11223344;
12   if (un.c == 0x11)
13   {
14     printf("大端\n");
15   }
16   else if (un.c == 0x44)
17   {
18     printf("小端\n");
19   }  
20 }

2、指標方式存取

　　由於在一個成員長度不同的聯合體裡，分配給聯合體的記憶體大小取決於它的最大成員的大小。如果內部成員的大小相差太大，當儲存長度較短的成員時，浪費的空間是相當可觀的，在這種情況下，更好的方法是在聯合體中儲存指向不同成員的指標而不是直接儲存成員本身。所有指標的長度都是相同的，這樣能解決記憶體空間浪費的問題。

 1 #include<stdio.h>
 2 typedef struct
 3 {
 4   unsigned char a;
 5   int b;
 6 }stValue1;
 7  
 8 typedef struct
 9 {
10   int c;
11   unsigned char d[10];
12   double e;
13 }stValue2;
14  
15 //聯合體成員定義為指標成員
16 union Un
17 {
18   stValue1 *ptrSt1;
19   stValue2 *ptrSt2;
20 };
21  
22 int main()
23 {
24   union Un *info;
25   info->ptrSt1->a = 5;
26   info->ptrSt2->e = 9.7f;
27 }

 　　總之在實際使用聯合體union過程中一句話總結：圍繞成員互斥和記憶體共用這兩個核心點去靈活設計你的資料結構。　　

更多技術內容和書籍資料獲取敬請關注微信公眾號「明解嵌入式」