嵌入式編程應(yīng)用：union 的精妙之用！
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(jié)構(gòu)體的定義方式相同，那么區(qū)別是什么呢，下面通過一個(gè) 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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(chǔ)。
看到變量在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置之后，也就明白 union 的特性了，對(duì)于這樣存儲(chǔ)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(gè)變量的存儲(chǔ)空間，能夠節(jié)省存儲(chǔ)空間。上述程序中共用體的中兩個(gè)成員所占的存儲(chǔ)空間大小一樣，都是四個(gè)字節(jié)，所以最終這個(gè)共用體所占存儲(chǔ)空間的大小就是四個(gè)字節(jié)，如果共用體的成員的存儲(chǔ)空間大小不一樣，那么共用體存儲(chǔ)空間的大小取決于成員中存儲(chǔ)空間最大的一個(gè)。
union 的應(yīng)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(shí)候，必須要清楚當(dāng)前處理器是大端對(duì)齊還是小端對(duì)齊。
大端對(duì)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(duì)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(gè)例子分別在大端對(duì)齊和小端對(duì)齊中的存儲(chǔ)形式。
有了大端對(duì)齊和小端對(duì)齊的認(rèn)知下，我們來看 union 如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)行結(jié)果會(huì)根據(jù)對(duì)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(dāng)然對(duì)于采用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包來說，弊端也是很明顯的，因?yàn)闀?huì)因?yàn)樘幚砥鞯膶?duì)齊方式而產(chǎn)生不同的結(jié)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(shí)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(huì)收到處理器對(duì)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(yīng)用
背景：現(xiàn)在有兩個(gè)小車需要進(jìn)行通信，分別是小車 A 和小車 B ，有些時(shí)候，小車 A 需要向小車 B 發(fā)送它當(dāng)前的速度，有些時(shí)候，小車 A 需要向小車 B 發(fā)送它當(dāng)前的位置，而有些時(shí)候小車 A 需要向小車 B 發(fā)送它當(dāng)前的狀態(tài)。
分析：在上面的背景當(dāng)中，我們得知發(fā)送的消息的時(shí)候并不是同時(shí)要發(fā)送速度，狀態(tài)，位置，而是這三個(gè)參數(shù)分開來的，并不是同時(shí)需要，那這個(gè)時(shí)候，我們就可以采用 union 的特性來構(gòu)造一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(gòu)造的話，通常我們會(huì)采用結(jié)構(gòu)體的方式，比如這樣：
struct buffer
{
uint8_t power; /*當(dāng)前電池容量*/
uint8_t op_mode; /*操作模式*/
uint8_t temp; /*當(dāng)前的溫度*/
uint16_t x_pos;
uint16_t y_pos;
uint16_t vel; /*小車當(dāng)前的速度*/
}my_buff;
采用上述的結(jié)構(gòu)的話，我們可以計(jì)算一下（不考慮內(nèi)存對(duì)齊的情況，內(nèi)存對(duì)齊的話要對(duì)結(jié)構(gòu)體內(nèi)存進(jìn)行填充，筆者打算后面單寫一篇文章記錄內(nèi)存對(duì)齊的問題），結(jié)構(gòu)體占用的存儲(chǔ)空間是 9 個(gè)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(gòu)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(chǔ)空間來講，這個(gè) union 所占的空間只有 4 個(gè)字節(jié)。如果要將發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，那上面所定義的 union 就存在問題了，因?yàn)榻邮辗骄筒恢腊l(fā)送方發(fā)過去的是哪個(gè)參數(shù)，因此，需要在里面加入?yún)?shù)類型這個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析了。
小結(jié)
通過上述的這個(gè)例子，我們現(xiàn)在來回顧一下，如果不使用 union 的話，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，直接將由 struct 構(gòu)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(gòu)造的數(shù)據(jù)大不少，使用 union 構(gòu)造數(shù)據(jù)，既能夠幫助我們節(jié)省了存儲(chǔ)空間，還節(jié)省了通信時(shí)的帶寬。
union 在數(shù)據(jù)解析中的應(yīng)用
上面一個(gè)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(shí)候，還需要一些額外的操作
// 比如應(yīng)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(cuò)誤
}
if (packet->fields.cmd == CMD)
{
//處理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)
}
}
要理解這個(gè)數(shù)據(jù)解析過程，需要用到 union 中的成員存放在同一個(gè)地址這個(gè)特性，buffer[PACKET_SIZE]中的元素與 fields 中的元素是一一對(duì)應(yīng)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(jié)
運(yùn)用好 union 不僅僅是能夠節(jié)省存儲(chǔ)空間，用好地址共享這個(gè)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(guān)于 union 的學(xué)習(xí)也使筆者意識(shí)到路漫漫其修遠(yuǎn)兮，但是也引用胡適先生的一句話：怕什么真理無窮，進(jìn)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.
nir, -apple-system-font, 微軟雅黑, sans-serif;text-align: start;">本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“wenzi嵌入式軟件”，作者wenzid
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