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工程师讲解：C语言如何节省存储空间？

2023-08-28


来源：我们编程吧，作者：十月天文，整理本文处于传播相关技术


C语言的共用体union


共用体是一种特殊的数据类型，允许您在相同的内存位置存储不同的数据类型。什么意思呢，就是在同一块内存存储可以定义多个数据类型，但是在使用的时候，只有一个变量有效。
这里就有一个问题，变量有大有小呀，对的，所以这个时候共用体的空间为内部变量最大占用空间的值。
如此这般，共用体就可以通过共享存储空间，来避免当前没有被使用的变量所造成的存储空间的浪费。
共用体的成员可以使用任何数据类型，但是一个共用体所占用的存储空间的字节总数，必须保证至少足以能够容纳其占用空间字节数最大的成员。并且共用体每次只允许访问一个成员，也就是一种数据类型，确保按照正确的数据类型来访问共用体中的数据，就是你的责任了。
先看看union的格式：


union [tag]{member definition;member definition;...member definition;} [variables];


其中：

  • union为类型变量；
  • tag为共用体的标记；
  • member definition为变量的定义；

举个例子：


union test{int i;float f;double d;char str[20];} data;
通过这个例子可以看到，这个结构体的大小是多少呢？可以通过程序来确认一下。


OK，这次我们来聊聊结构体。


任务来了，我想让你给学生建立一个数据库，该怎么来做。


这个学生包含的信息如下：


  • ID：也就是学号，唯一区别码，用整型表示
  • Name：姓名，用字符串表示
  • Age：年龄，用整型表示
  • Sex：性别，用字符串表示


按照目前学过的知识我们的代码如下，比如先来一个李雷同学的吧：


#include <stdio.h>#include <string.h> union test{int i;float f;double d;char str[20];}; int main( ){union test data; printf( "data size : %d\n", sizeof(data)); return 0;}
C语言 共用体的访问


共用体的访问与结构体类似，也是有2中类型，我们只看看成员访问运算符.。


所以按照通用的赋值方式，来看一下是否按照我们预定的方式运行。


/*beginner/union/union2.c*/#include <stdio.h>#include <string.h>union Data {int i;float f;char str[20];};int main(){union Data data; data.i = 123; data.f = 456.0;strcpy(data.str, "Hello World");printf("data.i : %d\n", data.i);printf("data.f : %f\n", data.f);printf("data.str : %s\n", data.str);return 0;}
从结果上来看，what are you弄啥嘞，感觉什么跟什么呀，只有最后的字符串是正确的，这也就间接证明了共用体使用相同的存储空间，其他类型的赋值会破坏原先的赋值，正常情况下只有最后一次的赋值才会保证正确结果。


所以我们需要在每次赋值后直接查看结果，是可以保证结果正确的：


/*beginner/union/union3.c*/#include <stdio.h>#include <string.h>union Data {int i;float f;char str[20];};int main(){union Data data; data.i = 123;printf("data.i : %d\n", data.i); data.f = 456.0;printf("data.f : %f\n", data.f);strcpy(data.str, "Hello World");printf("data.str : %s\n", data.str);return 0;}
再次运行，可以看到结果就按照预想的进行了。

编译运行

#beginner/union/MakefileALL : union1 union2 union3
union1: union1.cgcc -o union1 union1.c
union2: union2.cgcc -o union2 union2.c
union3: union3.cgcc -o union3 union3.c
.PHONY : clean
clean:rm -f union1 union2 union3


输出结果


$ ./union2data.i : 1819043144data.f : 1143139122437582505939828736.000000data.str : Hello World
$ ./union3data.i : 123data.f : 456.000000data.str : Hello World


除了共用体还有什么可以节省存储


C语言的结构体位域


前面可以看到，使用unoin共用体可以节省数据的存储空间。


同样，在结构体或者共用体中，使用位域也可以达到这个效果。


先看看什么时候可以使用位域，这个特点大多数人都不会用到，用到的大部分人都基本跟底层打交道，比如驱动开发、单片机开发等。


先看一个最简单的例子，比如我们的红绿灯系统，先定义一个结构体：


typedef struct{unsigned int red;unsigned int green;unsigned int yellow;} TrafficLight;

此时如果看一下TrafficLight结构体的大小，应该是12个字节


是我们知道对于这几种灯而言，只有2中状态，开和关，也就是1和0，也就是1个bit其实就能表达，所以针对这种情况，有了位域的概念，先看一下位域的声明：


typedef struct{ type name : width;}


  • type：整数类型
  • name：为位域的名称
  • width：为位域中位的数量，其值需要小于等于type指定的类型大小


所以交通灯的结构体使用位域的概念就如下所示：


typedef struct{unsigned int red : 1;unsigned int green : 1;unsigned int yellow : 1;} TrafficLight1;


三色红绿灯加起来一共需要3个bit，所以一个无符号整型就可以容纳这些值了，此时看一下这个结构体的长度，应该为4。


总结一下：


当结构体或共用体中有无符号整型或有符号整型成员时，C语言允许用户指定这些成员所占用的存储位数，即位域。通过将数据存储在它们所需的最小数目的存储位内，位域能够有效地提供存储空间的利用率，但是，要注意，位域成员必须被声明为有符号整型或无符号整型。


代码如下：


/*beginner/struct/struct6.c*/#include <stdio.h>
int main(){
typedef struct {unsigned int red;unsigned int green;unsigned int yellow; } TrafficLight;
 TrafficLight trafficlight;
printf("The size of TrafficLight %d\n", sizeof(trafficlight));
typedef struct {unsigned int red : 1;unsigned int green : 1;unsigned int yellow : 1; } TrafficLight1;
 TrafficLight1 trafficlight1;
printf("The size of TrafficLight1 %d\n", sizeof(trafficlight1));
return 0;}


编译运行


直接输入make就可以了。


#beginner/struct/Makefile
struct6: struct6.cgcc -o struct6 struct6.c


运行输出如下：


$ ./struct6The size of TrafficLight 12The size of TrafficLight1 4


扩展


既然位域指定了长度位，所以就涉及到万一赋值超过了会发生什么情况，可以通过给红绿灯赋一个大值看看。
比如复制一个2，那么会得到如下警告：

warning: implicit truncation from ‘int’ to bit-field changes value from 2 to 0 [-Wbitfield-constant-conversion]编译有警告，不过还是生成了可执行文件，运行下看看结果吧。


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