c語言之共用體union、枚舉、大小端模式
上一個專題我們詳細的分享了c語言里面的結構體用法，讀者在看這些用法的時候，可以一邊看一邊試驗，掌握了這些基本用法就完全夠用了，當然在以后的工作中，如果有遇到了更高級的用法，我們可以再來總結學習歸納。好了，開始我們今天的主題分享。
一、共用體union:
1、什么是共用體union?
這個共用體，估計大家平時在代碼也比較少見，我去看了一下stm32的例程里面沒怎么看到這個用法（下面的示例分享是在stm32里面找的）；其實這個共用體union（也叫聯合體）跟我們上次分享的結構體定義是非常像的，比如說：類型定義、變量定義、使用方法上很相似。就像下面兩個例子一樣，把許多類型聯合在一起（不過雖然形式上類似，但是具體用法還是有區(qū)別的，下面會講他們之間的區(qū)別）：
union st{
int a;
char b;
};
2、共用體與結構體的區(qū)別：
結構體類似于一個包裹，結構體中的成員彼此是獨立存在的，分布在內存的不同單元中，他們只是被打包成一個整體叫做結構體而已；共用體中的各個成員其實是一體的，彼此不獨立，他們使用同一個內存單元。可以理解為：有時候是這個元素，有時候是那個元素。更準確的說法是同一個內存空間有多種解釋方式。所以共用體用法總結如下：
union中可以定義多個成員，union的內存大小由最大的成員的大小來決定。
union成員共享同一塊大小的內存，一次只能使用其中的一個成員。
對某一個成員賦值，會覆蓋其他成員的值（這是為啥呢？，簡單來講就是因為他們共享一塊內存。但前提是成員所占字節(jié)數相同，當成員所占字節(jié)數不同時只會覆蓋相應字節(jié)上的值，比如對char成員賦值就不會把整個int成員覆蓋掉，因為char只占一個字節(jié)，而int占四個字節(jié)）。
共用體union的存放順序是所有成員都從低地址開始存放的。
3、代碼實戰(zhàn)：
#include <stdio.h>
typedef union{
int a;
char c;
//int a;
// int b;
}st;
int main(void)
{
st haha;
haha.c='B';
// haha.a=10;
//haha.b=60;
printf("the haha size is %d\n",sizeof(haha));
printf("haha.c=%d\n",haha.c);
return 0;
}
#include <stdio.h>
typedef union{
int a;
char c;
int b;
}st;
int main(void)
{
st haha;
haha.c='B';
haha.a=10;
haha.b=60;
printf("the haha size is %d\n",sizeof(haha));
printf("haha.c=%d,haha.a=%d,haha.b=%d\n",haha.c,haha.a,haha.b);
printf("the a is 0x%x\n",&haha.a);
printf("the c is 0x%x\n",&haha.c);
printf("the b is 0x%x\n",&haha.b);
return 0;
}
演示結果：
the haha size is 4
haha.c=66
the haha size is 4
haha.c=60,haha.a=60,haha.b=60
the a is 0x61feac
the c is 0x61feac
the b is 0x61feac
說明：
通過上面的代碼示例，讀者可以發(fā)現這個共用體的大小，并不是像我們之前結構體那樣是把每個成員所占內存大小加起來，而是我們上面說的那樣，共用體由成員占用內存大小最大的那個決定的，上面的示例中int 占用4個字節(jié)大小，為最大的，所以sizeof(haha)得出結果就是4個字節(jié)大小，而且讀者細心可以發(fā)現到打印出來的結果a和b都是60，它是訪問內存占用大小最大的那個成員的數值，因為那個'B'的acii碼值是是66；通過示例，我們也發(fā)現共用體訪問其成員方式跟結構體是一樣的（上面也有說到過）。下面是和結構體做對比的代碼示例：
#include <stdio.h>
// 共用體類型的定義
struct mystruct
{
int a;
char b;
};
// a和b其實指向同一塊內存空間，只是對這塊內存空間的2種不同的解析方式。
// 如果我們使用u1.a那么就按照int類型來解析這個內存空間；如果我們使用
// u1.b那么就按照char類型
// 來解析這塊內存空間。
union myunion
{
int a;
char b;
double c;
};
int main(void)
{
struct mystruct s1;
s1.a = 23;
printf("s1.b = %d.\n", s1.b); // s1.b = 0. 結論是s1.a和s1.b是獨立無關的
printf("&s1.a = %p.\n", &s1.a);
printf("&s1.b = %p.\n", &s1.b);
union myunion u1; // 共用體變量的定義
u1.a = 23;
u1.b='B';
u1.a=u1.b; // 共用體元素的使用
printf("u1.a = %d.\n", u1.a);
printf("u1.b = %d.\n", u1.b);
printf("u1.c = %d.\n", u1.c);
// u1.b = 23.結論是u1.a和u1.b是相關的
// a和b的地址一樣，充分說明a和b指向同一塊內存，只是對這塊內存的不同解析規(guī)則
printf("&u1.a = %p.\n", &u1.a);
printf("&u1.b = %p.\n", &u1.b);
printf("the sizeof u1 is %d\n",sizeof(u1));
return 0;
}
演示結果：
s1.b = 22.
&s1.a = 0061FEA8.
&s1.b = 0061FEAC.
u1.a = 66.
u1.b = 66.
u1.c = 66.4、
&u1.a = 0061FEA0.
&u1.b = 0061FEA0.
the sizeof u1 is 8
4、小結：
union的sizeof測到的大小實際是union中各個元素里面占用內存最大的那個元素的大小。因為可以存的下這個就一定能夠存的下其他的元素。
union中的元素不存在內存對齊的問題，因為union中實際只有1個內存空間，都是從同一個地址開始的（開始地址就是整個union占有的內存空間的首地址），所以不涉及內存對齊。
二、枚舉
1、什么是枚舉？
枚舉在C語言中其實是一些符號常量集。直白點說：枚舉定義了一些符號，這些符號的本質就是int類型的常量，每個符號和一個常量綁定。這個符號就表示一個自定義的一個識別碼，編譯器對枚舉的認知就是符號常量所綁定的那個int類型的數字。枚舉符號常量和其對應的常量數字相對來說，數字不重要，符號才重要。符號對應的數字只要彼此不相同即可，沒有別的要求。所以一般情況下我們都不明確指定這個符號所對應的數字，而讓編譯器自動分配。（編譯器自動分配的原則是：從0開始依次增加。如果用戶自己定義了一個值，則從那個值開始往后依次增加）。
2、為什么要用枚舉，和宏定義做對比：
(1)C語言沒有枚舉是可以的。使用枚舉其實就是對1、0這些數字進行符號化編碼，這樣的好處就是編程時可以不用看數字而直接看符號。符號的意義是顯然的，一眼可以看出。而數字所代表的含義除非看文檔或者注釋。
(2)宏定義的目的和意義是：不用數字而用符號。從這里可以看出：宏定義和枚舉有內在聯系。宏定義和枚舉經常用來解決類似的問題，他們倆基本相當可以互換，但是有一些細微差別。
(3)宏定義和枚舉的區(qū)別:
枚舉是將多個有關聯的符號封裝在一個枚舉中，而宏定義是完全散的。也就是說枚舉其實是多選一。
(4）使用枚舉情況：
什么情況下用枚舉？當我們要定義的常量是一個有限集合時（譬如一星期有7天，譬如一個月有31天，譬如一年有12個月····），最適合用枚舉。（其實宏定義也行，但是枚舉更好）
不能用枚舉的情況下（定義的常量符號之間無關聯，或者無限的）,這個時候就用宏定義。
總結：
宏定義先出現，用來解決符號常量的問題；后來人們發(fā)現有時候定義的符號常量彼此之間有關聯（多選一的關系），用宏定義來做雖然可以但是不貼切，于是乎發(fā)明了枚舉來解決這種情況。
3、代碼示例：
a、幾種定義方法：
/* // 定義方法1，定義類型和定義變量分離開
enum week
{
SUN, // SUN = 0
MON, // MON = 1;
TUE,
WEN,
THU,
FRI,
SAT,
};
enum week today;
*/
/* // 定義方法2,定義類型的同時定義變量
enum week
{
SUN, // SUN = 0
MON, // MON = 1;
TUE,
WEN,
THU,
FRI,
SAT,
}today,yesterday;
*/
/* // 定義方法3,定義類型的同時定義變量
enum
{
SUN, // SUN = 0
MON, // MON = 1;
TUE,
WEN,
THU,
FRI,
SAT,
}today,yesterday;
*/
/* // 定義方法4,用typedef定義枚舉類型別名，并在后面使用別名進行變量定義
typedef enum week
{
SUN, // SUN = 0
MON, // MON = 1;
TUE,
WEN,
THU,
FRI,
SAT,
}week;
*/
/* // 定義方法5,用typedef定義枚舉類型別名，并在后面使
用別名進行變量定義
typedef enum
{
SUN, // SUN = 0
MON, // MON = 1;
TUE,
WEN,
THU,
FRI,
SAT,
}week;
b、錯誤類型舉例（下面的舉例中也加入了結構體作為對比）：
/* // 錯誤1，枚舉類型重名，編譯時報錯：error: conflicting
// types for ‘DAY’
typedef enum workday
{
MON, // MON = 1;
TUE,
WEN,
THU,
FRI,
}DAY;
typedef enum weekend
{
SAT,
SUN,
}DAY;
*/
/* // 錯誤2，枚舉成員重名，編譯時報錯：redeclaration //of
// enumerator ‘MON’
typedef enum workday
{
MON, // MON = 1;
TUE,
WEN,
THU,
FRI,
}workday;
typedef enum weekend
{
MON,
SAT,
SUN,
}weekend;
// 結構體中元素可以重名
typedef struct
{
int a;
char b;
}st1;
typedef struct
{
int a;
char b;
}st2;
*/
說明：
經過測試，兩個struct類型內的成員名稱可以重名，而兩個enum類型中的成員不可以重名。實際上從兩者的成員在訪問方式上的不同就可以看出了。struct類型成員的訪問方式是：變量名.成員，而enum成員的訪問方式為：成員名。因此若兩個enum類型中有重名的成員，那代碼中訪問這個成員時到底指的是哪個enum中的成員呢？所以不能重名。但是兩個#define宏定義是可以重名的，該宏名真正的值取決于最后一次定義的值。編譯器會給出警告但不會error，下面的示例會讓編譯器發(fā)出A被重復定義的警告。
#include <stdio.h>
#define A 5
#define A 7
int main(void)
{
printf("hello world\n");
return 0;
}
c、代碼實戰(zhàn)演示：
#include <stdio.h>
typedef enum week
{
SUN, // SUN = 0
MON, // MON = 1;
TUE, //2
WEN, //3
THU,
FRI,
SAT,
}week;
int main(void)
{
// 測試定義方法4,5
week today;
today = WEN;
printf("today is the %d th day in week\n", today);
return 0;
}
演示結果：
today is the 3 th day in week
d、接著我們把上面枚舉變量改變它的值（不按照編譯模式方式來），看看會發(fā)生什么變化：
#include <stdio.h>
typedef enum week
{
SUN, // SUN = 0
MON=8, // MON = 1;
TUE, //2
WEN, //3
THU,
FRI,
SAT,
}week;
int main(void)
{
// 測試定義方法4,5
week today,hh;
today = WEN;
hh=SUN;
printf("today is the %d th day in week\n", SUN);
printf("today is the %d th day in week\n", today);
return 0;
}
演示結果（我們可以看到改變了枚舉成員值，它就在這個基礎遞增下面的成員值）：
today is the 0 th day in week
today is the 10 th day in week
注意：
這里要注意，只能把枚舉值賦予枚舉變量，不能把元素的數值直接賦予枚舉變量，如一定要把數值賦予枚舉變量，則必須用強制類型轉換，但是我在測試時，發(fā)現編譯器居然可以這樣賦值，讀者最好自己測試一下（不過這里后面發(fā)現在c語言里面可以這樣操作，在c++里面不可以這樣操作，必須強制類型轉換）。
枚舉元素不是字符常量也不是字符串常量，使用時不要加單、雙引號。
枚舉類型是一種基本數據類型，而不是一種構造類型，因為它不能再分解為任何基本類型。
枚舉值是常量，不是變量。
三、大小端模式：
1、什么是叫大小端模式？
a、什么叫大端模式（big-endian）？
在這種格式中，字數據的高字節(jié)存儲在低地址中，而字數據的低字節(jié)則存放在高地址中。
b、什么叫小端模式（little-endian）？
與大端存儲格式相反，在小端存儲格式中，低地址中存放的是字數據的低字節(jié)，高地址存放的是字數據的高字節(jié)。
2、實際解釋：
----- 我們把一個16位的整數0x1234存放到一個短整型變量（short）中。這個短整型變量在內存中的存儲在大小端模式由下表所示：
地址偏移 |
大端模式 |
小端模式 |
0x00 |
12 |
34 |
0x01 |
34 |
12 |
說明：
由上表所知，采用大小模式對數據進行存放的主要區(qū)別在于在存放的字節(jié)順序，大端方式將高位存放在低地址，小端方式將低位存放在低地址。
3、代碼實戰(zhàn)來判斷大小端模式：
#include <stdio.h>
// 共用體中很重要的一點：a和b都是從u1的低地址開始的。
// 假設u1所在的4字節(jié)地址分別是：0、1、2、3的話，那么a自然就是0、1、2、3；
// b所在的地址是0而不是3.
union myunion
{
int a;
char b;
};
// 如果是小端模式則返回1，小端模式則返回0
int is_little_endian(void)
{
union myunion u1;
u1.a = 1; // 地址0的那個字節(jié)內是1（小端）或者0（大端）
return u1.b;
}
int is_little_endian2(void)
{
int a = 1;
char b = *((char *)(&a)); // 指針方式其實就是共用體的本質
return b;
}
int main(void)
{
int i = is_little_endian2();
if (i == 1)
{
printf("小端模式\n");
}
else
{
printf("大端模式\n");
}
return 0;
}
演示結果：
這是小端模式
4、看似可行實則不行的測試大小端方式：位與、移位、強制類型轉化：
#include <stdio.h>
int main(void)
{
// 強制類型轉換
int a;
char b;
a = 1;
b = (char)a;
printf("b = %d.\n", b); // b=1
/*
// 移位
int a, b;
a = 1;
b = a >> 1;
printf("b = %d.\n", b); //b=0
*/
/*
// 位與
int a = 1;
int b = a & 0xff; // 也可以寫成：char b
printf("b = %d.\n", b); //b=1
*/
return 0;
}
說明：
(1)位與運算：
結論：位與的方式無法測試機器的大小端模式。（表現就是大端機器和小 端機器的&運算后的值相同的）
理論分析：位與運算是編譯器提供的運算，這個運算是高于內存層次的（或者說&運算在二進制層次具有可移植性，也就是說&的時候一定是高字節(jié)&高字節(jié)，低字節(jié)&低字節(jié)，和二進制存儲無關）。
(2)移位：
結論：移位的方式也不能測試機器大小端。
理論分析：原因和&運算符不能測試一樣，因為C語言對運算符的級別是高于二進制層次的。右移運算永遠是將低字節(jié)移除，而和二進制存儲時這個低字節(jié)在高位還是低位無關的。
(3)強制類型轉換和上面分析一樣的。
5、通信系統(tǒng)中的大小端（數組的大小端）
(1)譬如要通過串口發(fā)送一個0x12345678給接收方，但是因為串口本身限制，只能以字節(jié)為單位來發(fā)送，所以需要發(fā)4次；接收方分4次接收，內容分別是：0x12、0x34、0x56、0x78.接收方接收到這4個字節(jié)之后需要去重組得到0x12345678（而不是得到0x78563412）。
(2)所以在通信雙方需要有一個默契，就是：先發(fā)/先接的是高位還是低位？這就是通信中的大小端問題。
(3)一般來說是：先發(fā)低字節(jié)叫小端；先發(fā)高字節(jié)就叫大端。在實際操作中，在通信協議里面會去定義大小端，明確告訴你先發(fā)的是低字節(jié)還是高字節(jié)。
(4)在通信協議中，大小端是非常重要的，大家使用別人定義的通信協議還是自己要去定義通信協議，一定都要注意標明通信協議中大小端的問題。
四、總結：
上面分享了一些我們常用的一些用法，掌握了這些就可以了，當日后工作中有其他用法，再總結歸納，完善自己的知識體系。
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