union 的概念及在嵌入式編程中的應用

時間：2020-05-25 13:23:02

關鍵字：嵌入式編程 NI IO STRUCT

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[導讀]筆者能力有限，如果文章中出現(xiàn)錯誤的地方，還請各位朋友能給我指出來，我將不勝感激，謝謝～ union 概念 union 在中文的叫法中又被稱為共用體，聯(lián)合或者聯(lián)合體，它定義的方式與 struct 是相同的，但是意義卻與 struct 完全不同，下面是 union 的定義格式：

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筆者能力有限，如果文章中出現(xiàn)錯誤的地方，還請各位朋友能給我指出來，我將不勝感激，謝謝～

union 概念

union 在中文的叫法中又被稱為共用體，聯(lián)合或者聯(lián)合體，它定義的方式與 struct 是相同的，但是意義卻與 struct 完全不同，下面是 union 的定義格式：

   
    union 共用體名
    {
     成員列表
    }共用體變量名;

那么它與結構體的定義方式相同，那么區(qū)別是什么呢，下面通過一個 struct 與 union 的嵌套來說明兩者的區(qū)別所在。

   
    struct my_struct
    {
     int type;
     union my_union
     {
     char *str;
     int number;
     }value;
    }Elem_t;

訪問方式是同結構體是一樣的，比如我要訪問 number 變量，那么就可以以如下的方式進行訪問：

   
     Elem_t.value.number = 10;

union 與 struct 的區(qū)別是什么呢？用一句話概括就是共用體中的成員的地址都是一樣的，結構體中的成員都具有各自的地址，下面用一張圖展示 Elem_t 在內(nèi)存中的存儲。

看到變量在內(nèi)存中的存儲位置之后，也就明白 union 的特性了，對于這樣存儲的好處顯而易見，程序中能夠使用不同類型的變量并且只占用一個變量的存儲空間，能夠節(jié)省存儲空間。上述程序中共用體的中兩個成員所占的存儲空間大小一樣，都是四個字節(jié)，所以最終這個共用體所占存儲空間的大小就是四個字節(jié)，如果共用體的成員的存儲空間大小不一樣，那么共用體存儲空間的大小取決于成員中存儲空間最大的一個。

union 的應用

使用 union 來打包數(shù)據(jù)

在使用聯(lián)合在打包數(shù)據(jù)的時候，必須要清楚當前處理器是大端對齊還是小端對齊。

大端對齊：數(shù)據(jù)的低位保存在內(nèi)存的高地址中，數(shù)據(jù)的高位保存的內(nèi)存的低地址中。
小端對齊：數(shù)據(jù)的低位保存在內(nèi)存的低地址中，數(shù)據(jù)的高位保存在內(nèi)存的高地址中。

下面用圖的形式舉一個例子分別在大端對齊和小端對齊中的存儲形式。

有了大端對齊和小端對齊的認知下，我們來看 union 如何對數(shù)據(jù)進行打包，下面給出一段代碼：

   
    #include <stdio.h>
    int main(void)
    {
     union
     {
     unsigned int word;
     struct
     {
     unsigned char byte1;
     unsigned char byte2;
     }byte;
     }u1;
    

     u1.byte.byte1 = 0x21;
     u1.byte.byte2 = 0x43;
     printf("The Value of word is:0x%x\n",u1.word);
    }

上述的運行結果會根據(jù)對齊方式的不一樣而有所差別。如果是小端模式：

   
     The Value of word is:0x4321

如果是大端模式：

   
    The Value of word is:0x2143

當然對于采用這種方式進行數(shù)據(jù)的打包來說，弊端也是很明顯的，因為會因為處理器的對齊方式而產(chǎn)生不同的結果，所以，我們往往采用的都是通過數(shù)據(jù)移位的方式來實現(xiàn)：

   
    uint8_t byte3 = 0x21;
    uint8_t byte4 = 0x43;
    uint16_t word;
    word = (((uint16_t)byte4) << 8)|((uint16_t)byte3);

上述的寫法便不會收到處理器對齊方式的影響，也具有更好地移植性。

union 在數(shù)據(jù)傳輸中的應用

背景：現(xiàn)在有兩個小車需要進行通信，分別是小車 A 和小車 B ，有些時候，小車 A 需要向小車 B 發(fā)送它當前的速度，有些時候，小車 A 需要向小車 B 發(fā)送它當前的位置，而有些時候小車 A 需要向小車 B 發(fā)送它當前的狀態(tài)。

分析：在上面的背景當中，我們得知發(fā)送的消息的時候并不是同時要發(fā)送速度，狀態(tài)，位置，而是這三個參數(shù)分開來的，并不是同時需要，那這個時候，我們就可以采用 union 的特性來構造一個數(shù)據(jù)結構，這樣做的好處是能夠縮減變量占用的內(nèi)存，比如說我們不采用 union 來構造的話，通常我們會采用結構體的方式，比如這樣：

   
    struct buffer
    {
     uint8_t power; /*當前電池容量*/
     uint8_t op_mode; /*操作模式*/
     uint8_t temp; /*當前的溫度*/
     uint16_t x_pos;
     uint16_t y_pos;
     uint16_t vel; /*小車當前的速度*/
    }my_buff;

采用上述的結構的話，我們可以計算一下（不考慮內(nèi)存對齊的情況，內(nèi)存對齊的話要對結構體內(nèi)存進行填充，筆者打算后面單寫一篇文章記錄內(nèi)存對齊的問題），結構體占用的存儲空間是 9 個字節(jié)，為了優(yōu)化我們的代碼，我們可以采用如下的方式來構造我們要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

   
    union 
    {
     struct
     {
     uint8_t power;
     uint8_t op_mode;
     uint8_t temp;
     }status;
    

     struct
     {
     uint16_t x_pos;
     uint16_t y_pos;
     }position;
    

     uint16_t vel;
    }msg_union;

這樣一來，從存儲空間來講，這個 union 所占的空間只有 4 個字節(jié)。如果要將發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝成一個數(shù)據(jù)幀，那上面所定義的 union 就存在問題了，因為接收方就不知道發(fā)送方發(fā)過去的是哪個參數(shù)，因此，需要在里面加入?yún)?shù)類型這個變量，于是就有了如下的代碼：

   
    struct
    {
     uint8_t msg_type;
     union
     {
     struct
     {
     uint8_t power;
     uint8_t op_mode;
     uint8_t temp; 
     }status;
    

     struct
     {
     uint16_t x_pos;
     uint16_t y_pos;
     }position;
    

     uint16_t vel;
     }msg_union; 
    }message;

有了 msg_type 的加入，我們就可以在接收端對數(shù)據(jù)進行解析了。

小結

通過上述的這個例子，我們現(xiàn)在來回顧一下，如果不使用 union 的話，在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，直接將由 struct 構造的數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)幀發(fā)送過去，發(fā)送的數(shù)據(jù)包要比使用 union 構造的數(shù)據(jù)大不少，使用 union 構造數(shù)據(jù)，既能夠幫助我們節(jié)省了存儲空間，還節(jié)省了通信時的帶寬。

union 在數(shù)據(jù)解析中的應用

上面一個例子我們使用 union 在數(shù)據(jù)傳輸中優(yōu)化了代碼，那么 union 在數(shù)據(jù)解析中又具有什么作用呢，看下面這樣一段代碼：

   
    typedef union
    {
     uint8_t buffer[PACKET_SIZE];
    

     struct
     {
     uint8_t size;
     uint8_t CMD;
     uint8_t payload[PAYLOAD_SIZE];
     uint8_t crc;
     }fields;
    }PACKET_t;
    

    // 函數(shù)調(diào)用方法：packet_builder(packet.buffer,new_data)
    // 將新數(shù)據(jù)存到 buffer 的時候，還需要一些額外的操作
    // 比如應該將 size 存放 buffer[0]中
    // 將 cmd 存放到 buffer[1] 中，依次類推
    void packet_builder(uint8_t *buffer,uint8_t data)
    {
     static uint8_t received_bytes = 0;
     buffer[received_bytes++] = data; 
    }
    

    void packet_handler(PACKET_t *packet)
    {
     if (packet->fields.size > TOO_BIG)
     {
     //錯誤
     }
     if (packet->fields.cmd == CMD)
     {
     //處理對應的數(shù)據(jù)
     }
    }

要理解這個數(shù)據(jù)解析過程，需要用到 union 中的成員存放在同一個地址這個特性，buffer[PACKET_SIZE]中的元素與 fields 中的元素是一一對應的，用一張圖來表示就很清楚了，如下圖：

看了這張圖，我想就很清楚了，往 buffer 里寫了數(shù)據(jù)，直接從 fileds 里面讀出來就可以了。

總結

運用好 union 不僅僅是能夠節(jié)省存儲空間，用好地址共享這個特性也能夠?qū)崿F(xiàn)很精妙的效果，筆者之前都沒怎么用過 union，這幾天關于 union 的學習也使筆者意識到路漫漫其修遠兮，但是也引用胡適先生的一句話：怕什么真理無窮，進一寸有一寸的歡喜。

參考資料：

[1] https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/union-in-c-language-for-packing-and-unpacking-data/

[2] https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/learn-embedded-c-programming-language-understanding-union-data-object/.

[3] https://stackoverflow.com/questions/252552/why-do-we-need-c-unions.

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