共同体的常见用法

共同体（Union）在 C 语言里是一种独特的数据类型，它允许不同的数据类型共享同一块内存空间。这种特性使得共同体在某些场景下能够发挥重要作用，以下是共同体一些常见的使用场景：

1. 节省内存

在程序中，如果某些变量在不同时刻使用，但不会同时使用，就可以使用共同体来节省内存。因为共同体的所有成员共享同一块内存，所以只需分配足够存储最大成员的内存空间即可。

示例：一个数据记录可能需要存储不同类型的数据，如整数、浮点数或字符，但同一时间只会使用其中一种类型。

#include <stdio.h>

// 定义共同体
union DataValue {
    int intValue;
    float floatValue;
    char charValue;
};

// 定义数据记录结构体
struct DataRecord {
    int dataType;  // 0 表示整数，1 表示浮点数，2 表示字符
    union DataValue value;
};

int main() {
    struct DataRecord record;

    // 存储整数
    record.dataType = 0;
    record.value.intValue = 10;
    if (record.dataType == 0) {
        printf("整数值: %d\n", record.value.intValue);
    }

    // 存储浮点数
    record.dataType = 1;
    record.value.floatValue = 3.14;
    if (record.dataType == 1) {
        printf("浮点数值: %.2f\n", record.value.floatValue);
    }

    // 存储字符
    record.dataType = 2;
    record.value.charValue = 'A';
    if (record.dataType == 2) {
        printf("字符值: %c\n", record.value.charValue);
    }

    return 0;
}

在这个例子中，union DataValue 包含了整数、浮点数和字符三种类型的成员，通过 dataType 来标记当前存储的数据类型。这样，不同类型的数据可以共享同一块内存，避免了为每个类型单独分配内存的浪费。

2. 数据解析

在处理二进制数据时，共同体可以方便地将同一内存区域的数据按照不同的方式进行解析。例如，将一个多字节的数据拆分为单个字节，或者将多个单字节数据组合成一个多字节数据。

示例：将一个 32 位的整数拆分为 4 个 8 位的字节。

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c

#include <stdio.h>

// 定义共同体
union IntBytes {
    int i;
    char bytes[4];
};

int main() {
    union IntBytes data;
    data.i = 0x12345678;

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        printf("第 %d 个字节: 0x%02X\n", i, (unsigned char)data.bytes[i]);
    }

    return 0;
}

在这个例子中，union IntBytes 包含一个 32 位的整数 i 和一个长度为 4 的字符数组 bytes。通过共同体，我们可以方便地将整数 i 按字节进行访问和解析。

3. 位操作

共同体可以用于对数据进行位级别的操作。例如，将一个整数的各个位进行单独处理。

示例：分别访问一个 16 位整数的高 8 位和低 8 位。

收起

c

#include <stdio.h>

// 定义共同体
union WordBytes {
    short word;
    struct {
        unsigned char low;
        unsigned char high;
    } bytes;
};

int main() {
    union WordBytes data;
    data.word = 0xABCD;

    printf("低 8 位: 0x%02X\n", data.bytes.low);
    printf("高 8 位: 0x%02X\n", data.bytes.high);

    return 0;
}

在这个例子中，union WordBytes 包含一个 16 位的短整数 word 和一个结构体 bytes，结构体中包含两个 8 位的字符变量 low 和 high。通过共同体，我们可以方便地分别访问整数的高 8 位和低 8 位。

4. 与硬件交互

在嵌入式系统或与硬件设备交互的程序中，共同体可以用于处理不同格式的数据。例如，硬件设备可能以不同的格式传输数据，使用共同体可以方便地在不同格式之间进行转换。

示例：硬件设备可能会以字节流的形式传输数据，我们可以使用共同体将字节流解析为有意义的数据。

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c

#include <stdio.h>

// 定义共同体
union SensorData {
    struct {
        unsigned int temperature : 10;  // 温度数据占 10 位
        unsigned int humidity : 6;      // 湿度数据占 6 位
    } values;
    unsigned short raw;
};

int main() {
    union SensorData data;
    data.raw = 0x1234;

    printf("温度: %u\n", data.values.temperature);
    printf("湿度: %u\n", data.values.humidity);

    return 0;
}

在这个例子中，union SensorData 包含一个结构体 values 用于存储解析后的数据（温度和湿度），以及一个无符号短整数 raw 用于存储原始的字节数据。通过共同体，我们可以方便地将原始数据解析为温度和湿度值。

3. 位操作 共同体可以用于对数据进行位级别的操作。例如，将一个整数的各个位进行单独处理。 示例：分别访问一个 16 位整数的高 8 位和低 8 位。 c #include <stdio.h> // 定义共同体 union WordBytes { short word; struct { unsigned char low; unsigned char high; } bytes; }; int main() { union WordBytes data; data.word = 0xABCD; printf("低 8 位: 0x%02X\n", data.bytes.low); printf("高 8 位: 0x%02X\n", data.bytes.high); return 0; } 在这个例子中，union WordBytes 包含一个 16 位的短整数 word 和一个结构体 bytes，结构体中包含两个 8 位的字符变量 low 和 high。通过共同体，我们可以方便地分别访问整数的高 8 位和低 8 位

以下为你详细解释上述代码是如何通过共同体实现对 16 位整数高 8 位和低 8 位的分别访问。

代码原理

这段代码利用共同体（union）的特性，即共同体的所有成员共享同一块内存空间。在 union WordBytes 中，short 类型的 word 成员占 16 位（2 个字节），而结构体 bytes 中的 low 和 high 成员各占 8 位（1 个字节），它们共享同一块 16 位的内存区域。

代码详细解释

1. 共同体的定义

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c

union WordBytes {
    short word;
    struct {
        unsigned char low;
        unsigned char high;
    } bytes;
};

• union WordBytes 定义了一个共同体类型，它包含两个成员：
  • short word：一个 16 位的短整数，用于存储一个 16 位的数值。
  • struct { unsigned char low; unsigned char high; } bytes：一个嵌套的结构体，其中 low 表示低 8 位，high 表示高 8 位，每个成员都是 8 位的无符号字符类型。

2. 主函数部分

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c

int main() {
    union WordBytes data;
    data.word = 0xABCD;

    printf("低 8 位: 0x%02X\n", data.bytes.low);
    printf("高 8 位: 0x%02X\n", data.bytes.high);

    return 0;
}

• union WordBytes data;：声明了一个 union WordBytes 类型的变量 data。
• data.word = 0xABCD;：将 16 位的数值 0xABCD 赋值给 data 的 word 成员。在内存中，0xABCD 以二进制形式表示为 1010 1011 1100 1101。
• printf("低 8 位: 0x%02X\n", data.bytes.low);：通过访问 data.bytes.low 来获取 word 的低 8 位。由于共同体成员共享内存，low 对应的就是 word 的低 8 位，即 0xCD。
• printf("高 8 位: 0x%02X\n", data.bytes.high);：通过访问 data.bytes.high 来获取 word 的高 8 位。high 对应的就是 word 的高 8 位，即 0xAB。

内存布局

假设系统采用小端字节序（低位字节存于低地址，高位字节存于高地址），data 变量在内存中的布局如下：

内存地址	数据内容	对应成员
低地址	0xCD	data.bytes.low
高地址	0xAB	data.bytes.high

注意事项

• 字节序问题：不同的系统可能采用不同的字节序（大端或小端），这会影响高 8 位和低 8 位的存储顺序。上述代码假设系统采用小端字节序。
• 可移植性：由于不同编译器和系统的字节序和数据类型大小可能不同，在使用共同体进行位操作时，要考虑代码的可移植性。