结构体、联合体结合使用在C语言、嵌入式中的一些实用技巧

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gaosmile 发布时间：2020-12-22 20:51

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结构体、联合体是C语言中的构造类型，结构体我们平时应该都用得很多。但是，对于联合体，一些初学的朋友可能用得并不多，甚至感到陌生。我们先简单看一下联合体：
/ j4 f, {# B0 k% I$ R8 v

在C语言中定义联合体的关键字是union。

定义一个联合类型的一般形式为：

union 联合名
{
成员表
};

成员表中含有若干成员，成员的一般形式为：类型说明符成员名。其占用的字节数与成员中最大数据类型占用的字节数。

下面我们一起看一下结构体、联合体结合使用在C语言、嵌入式中的一些实用技巧。

1、应用于管理不同的数据

示例代码：

enum DATA_PKG_TYPE
{
DATA_PKG1 = 1,
DATA_PKG2,
DATA_PKG3
};

struct data_pkg1
{
// ...
};

struct data_pkg2
{
// ...
};

struct data_pkg3
{
// ...
};

struct data_pkg
{
enum DATA_PKG_TYPE data_pkg_type;
union
{
   struct data_pkg1 data_pkg1_info;
   struct data_pkg2 data_pkg2_info;
   struct data_pkg3 data_pkg3_info;
}data_pkg_info;
};

这里把struct data_pkg1、struct data_pkg2、struct data_pkg3三个结构体放到了struct data_pkg这个结构体里进行管理，把data_pkg_type与union里的三个结构体建立一一对应关系，我们需要用哪一结构体数据就通过data_pkg_type来进行选中。

在进行数据组包的时候，先给data_pkg_type进行赋值，确定数据包的类型，再给对应的union里的结构体进行赋值；在进行数据解析的时候，通过data_pkg_type来选择解析哪一组数据。

思考一下，如果在union里面再嵌套一层union会怎么样？会变得更复杂？以前的话，我会觉得越嵌套会越复杂，我也很抵制这种不断嵌套的做法。但后来看了我同事鱼鹰（公众号：鱼鹰谈单片机）的设计之后，我惊呆了！这可太秀了，他就是这么嵌套使用把原本复杂的系统数据管理得明明白白的。我们看他怎么设计的（看个大概的图）：

) s6 Q' p0 d. S! X7 y

可以看到最左边和最右边这就建立起了一一对应关系，我们的模块很多，数据很多，但是在这样的设计中显得很清晰、很容易维护。

2、寄存器、状态变量封装

我们看一看TI的寄存器封装是怎么做的：

2 U* Z& d% q4 F8 y& R4 F( H

所有的寄存器被封装成联合体类型的，联合体里边的成员是一个32bit的整数及一个结构体，该结构体以位域的形式体现。这样就可以达到直接操控寄存器的某些位了。比如，我们要设置PA0引脚的GPAQSEL1寄存器的[1:0]两位都为1，则我们只操控两个bit就可以很方便的这么设置：

GpioCtrlRegs.GPAQSEL1.bit.GPIO0 = 3

或者直接操控整个寄存器：

GpioCtrlRegs.GPAQSEL1.all |=0x03

位域相关文章：【C语言笔记】位域

如果不是工作于芯片原厂，寄存器的封装应该离我们很远。但我们可以学习使用这种方法，然后用于我们的实际应用开发中。

下面就看一种实际应用：管理一些状态变量。

示例代码：

union sys_status
{
uint32 all_status;
struct
{
   bool status1:  1; // FALSE / TRUE
   bool status2:  1; //
   bool status3:  1; //
   bool status4:  1; //
   bool status5:  1; //
   bool status6:  1; //
   bool status7:  1; //
   bool status8:  1; //
   bool status9:  1; //
   bool status10: 1; //
// ...
  }bit;
};

之前记得群里有一位小伙伴问系统有几十个状态变量需要管理，怎么做比较好。如上例子就是比较好的一种管理方法。

3、数据组合/拆分、大小端（1）验证大小端#include <stdio.h>

typedef unsigned int  uint32_t;
typedef unsigned char uint8_t;

union bit32_data
{
uint32_t data;
struct
{
      uint8_t byte0;
      uint8_t byte1;
      uint8_t byte2;
      uint8_t byte3;
}byte;
};

int main(void)
{
union bit32_data num;

num.data = 0x12345678;

if (0x78 == num.byte.byte0)
{
   printf("Little endian\n");
}
else if (0x78 == num.byte.byte3)
{
   printf("Big endian\n");
}else{}

return 0;
}
运行结果：

（2）数据组合、拆分

这其实也就是上一篇文章《面试题 | 获取整数各个字节》介绍的。在数据组合与拆分之前首先需要确实当前平台的大小端。比如小编使用的平台是小端模式。

① 把0x12345678拆分成0x78、0x56、0x34、0x12：#include <stdio.h>

typedef unsigned int  uint32_t;
typedef unsigned char uint8_t;

union bit32_data
{
uint32_t data;
struct
{
      uint8_t byte0;
      uint8_t byte1;
      uint8_t byte2;
      uint8_t byte3;
}byte;
};

int main(void)
{
union bit32_data num;

num.data = 0x12345678;

printf("byte0 = 0x%x\n", num.byte.byte0);
printf("byte1 = 0x%x\n", num.byte.byte1);
printf("byte2 = 0x%x\n", num.byte.byte2);
printf("byte3 = 0x%x\n", num.byte.byte3);

return 0;
}
运行结果：

② 把0x78、0x56、0x34、0x12组合成0x12345678：#include <stdio.h>

typedef unsigned int  uint32_t;
typedef unsigned char uint8_t;

union bit32_data
{
uint32_t data;
struct
{
      uint8_t byte0;
      uint8_t byte1;
      uint8_t byte2;
      uint8_t byte3;
}byte;
};

int main(void)
{
union bit32_data num;

num.byte.byte0 = 0x78;
num.byte.byte1 = 0x56;
num.byte.byte2 = 0x34;
num.byte.byte3 = 0x12;

printf("num.data = 0x%x\n", num.data);

return 0;
}
运行结果：

但是数据组合与拆分有更好的方法：移位操作。篇幅有限不再贴出代码，详细代码可参考：《面试题 | 获取整数各个字节》、《C语言、嵌入式位操作精华技巧大汇总》两篇文章。

4、结构体 & 缓冲区#define BUF_SIZE 16
union protocol_data
{
uint8_t data_buffer[BUF_SIZE];
struct
{
  uint8_t data1;
  uint8_t data2;
  uint8_t data3;
  uint8_t data4;
  // ...
}data_info;
};

这种应用得很广泛，用于自定义通信协议。struct里面的内容可以设计得很简单，比如全是有用的数据，或是设计得很复杂，包含一些协议头尾、包长、有效数据、校验等内容。

但无论如何，我们组包发送的过程是填充结构体->发送data_buffer；反之接收数据解析的过程就是接收数据存于data_buffer->使用结构体数据。我们之前分享的《干货 | protobuf-c之嵌入式平台使用》也是这个思路。