嵌入式C中結構與聯合的區別

我們討論了嵌入式C中的結構允許我們對不同數據類型的變量進行分組，并將它們作為單個數據對象處理。除了結構之外，C語言還支持另一種稱為聯合的數據結構，它可以將不同的數據類型分組為單個數據對象。本文將提供有關聯合的一些基本信息。我們首先來看一下聲明一個union的介紹性例子，然后我們將研究這個數據對象的一個重要應用。

介紹性實例

聲明聯合和聲明結構非常類似。我們只需要將關鍵字“struct”替換為“union”。請考慮以下示例代碼：

union test {

uint8_t c;

uint32_t i;

};

這指定了一個具有兩個成員的模板：“c”（占用一個字節）和“i”（占用四個字節）。現在，我們可以創建此聯合模板的變量：

union test u1;

使用成員運算符（.），我們可以訪問“u1”聯合的成員。例如，以下代碼將10分配給上述聯合的第二個成員，并將“c”的值復制到“m”變量（必須是uint8_t類型）。

u1.i=10;

m=u1.c;

將分配多少內存空間來存儲“u1”變量？雖然結構的大小至少與其成員大小的總和一樣大，但聯合的大小等于其最大變量的大小。分配給聯合的內存空間將在所有聯合成員之間共享。在上面的例子中，“u1”的大小等于uint32_t的大小，即四個字節。該存儲空間在“i”和“c”之間共享。因此，為這兩個成員之一分配值將更改另一個成員的值。

需要共享內存空間嗎？

讓我們看一個聯合可以成為有用數據對象的例子。假設，如下面的圖1所示，系統中有兩個設備需要相互通信。

圖1

“設備A”應將狀態，速度和位置信息發送到“設備B”。狀態信息由三個變量組成，用于指示電池電量、工作模式和環境溫度。該位置由兩個顯示x軸和y軸位置的變量表示。最后，速度由單個變量表示。假設這些變量的大小如下表所示。

如果“設備B”經常需要包含這些信息的每一部分，我們可以將所有這些變量存儲在一個結構中并將結構發送到“設備B”。結構大小至少與這些變量大小的總和一樣大，即9個字節。因此，每次“設備A”與“設備B”對話時，它需要通過兩個設備之間的通信鏈路傳輸9字節數據幀。圖2描繪了“設備A”用于存儲變量和需要通過通信鏈路的數據幀的結構。

圖2

但是，讓我們考慮一個不同的場景，我們偶爾只需要發送狀態信息。另外，假設在給定時間不需要同時獲得位置和速度信息。換句話說，有時我們只發送位置，有時我們只發送速度，有時我們只發送狀態信息。在這種情況下，將信息存儲在九字節結構中并通過通信鏈路傳輸似乎不是一個好主意。

狀態信息只能用三個字節表示; 對于位置和速度，我們分別只需要四個和兩個字節。因此，“設備A”在一次傳輸中需要發送的最大字節數是4，因此，我們只需要4個字節的內存來存儲該信息。這個四字節的存儲空間將在我們的三種消息類型之間共享（參見圖3）。另外，請注意，通過通信鏈路傳輸的數據幀的長度從9個字節減少到4個字節。

圖3

總而言之，如果我們的程序具有互斥的變量，我們可以將它們存儲在共享的內存區域中，以保留內存空間。這可能很重要，尤其是在內存受限的嵌入式系統環境中。在這種情況下，我們可以使用聯合來創建所需的共享內存空間。上面的例子表明，使用聯合來處理互斥變量也可以幫助我們節省通信帶寬。節省通信帶寬有時甚至比節省內存更重要。

對消息包使用聯合

讓我們看看我們如何使用聯合來存儲上面例子的變量。我們有三種不同的消息類型：狀態、位置和速度。我們可以為狀態和位置消息的變量創建一個結構（以便將這些消息的變量分組并作為單個數據對象進行操作）。以下結構用于此目的：

struct {

uint8_t power;

unit8_t op_mode;

uint8_t temp;

} status;struct {

uint16_t x_pos;

unit16_t y_pos;

} position;

我們可以將這些結構與“vel”變量一起放在一個聯合中：

union {struct {

uint8_t power;

unit8_t op_mode;

uint8_t temp;

} status;struct {

uint16_t x_pos;

unit16_t y_pos;

} position;

uint16_t vel;

} msg_union;

上面的代碼指定了一個聯合模板，并創建了該模板的一個變量（名為“msg_union”）。在這個聯合內部，有兩個結構（“狀態”和“位置”）和一個雙字節變量（“vel”）。此并集的大小將等于其最大成員的大小，即“位置”結構，它占用四個字節的內存。該“存儲空間”在“status”、“position”和“vel”變量之間共享。

如何跟蹤聯合活躍成員

我們可以使用上面聯合的共享內存空間來存儲我們的變量；但是，還有一個問題：接收器應該如何確定發送了哪種類型的消息？接收器需要識別消息類型以能夠成功地解釋所接收的信息。例如，如果我們發送“位置”消息，則接收數據的所有四個字節都很重要，但對于“velocity”消息，只應使用兩個接收字節。要解決這個問題，我們需要將聯合與另一個變量相關聯，比如“msg_type”，它指示消息類型（或最后寫入的聯合成員）。與表示聯合的活躍成員的離散值配對的聯合稱為“區分聯合”或“標記聯合”。

關于“msg_type”變量的數據類型，我們可以使用C語言的枚舉數據類型來創建符號常量。但是，我們將使用一個字符來指定消息類型，只是為了使事情盡可能簡單：

struct {

uint8_t msg_type;union {struct {

uint8_t power;

unit8_t op_mode;

uint8_t temp;

} status;struct {

uint16_t x_pos;

unit16_t y_pos;

} position;

uint16_t vel;

} msg_union;

} message;

我們可以考慮“msg_type”變量的三個可能值：“s”表示“狀態”消息，“p”表示“位置”消息，“v”表示“速度”消息。我們可以將“消息”結構發送到“設備B”，并使用“msg_type”變量的值作為消息類型的指示符。例如，如果接收到的“msg_type”的值為“p”，則“設備B”將知道共享存儲空間包含兩個2字節變量。請注意，我們必須向通過通信鏈路發送的數據幀添加另一個字節，因為我們需要傳輸“msg_type”變量。另請注意，使用此解決方案，接收器不需要提前知道正在發送什么類型的消息。

另一種解決方案

我們看到聯合允許我們聲明共享內存區域以節省內存空間和通信帶寬。但是，存在另一種存儲互斥變量的方法，例如上例中的變量。第二種解決方案使用動態內存分配來存儲每種消息類型的變量。同樣，我們需要一個變量“msg_type”來指定通信鏈路的發送器和接收器端的消息類型。例如，如果“設備A”需要發送位置消息，它會將“msg_type”設置為“p”并分配四個字節的內存空間來存儲“x_pos”和“y_pos”變量。接收器將檢查“msg_type”的值，并根據其值創建適當的存儲空間，用于存儲和解釋傳入的數據幀。

使用動態內存在內存使用方面可以更有效，因為我們為每種消息類型分配了足夠的空間。基于聯合的解決方案并非如此。在那里，我們有四個字節的共享內存來存儲所有三種消息類型，盡管“狀態”和“速度”消息分別只需要三個和兩個字節。但是，動態內存分配可能較慢，程序員需要包含釋放分配內存的代碼。這就是程序員通常喜歡使用基于聯合的解決方案的原因。

聯合的應用

似乎聯合的最初目的是為互斥變量創建共享內存區域。但是，聯合也被廣泛用于從較大的數據對象中提取較小的數據部分。