在进行嵌入式开发时，我们常常会听到这样一句话：“内存就是金钱。” 在嵌入式系统中，内存资源通常是非常稀缺的，尤其是在一些微控制器（如STM32、ESP32等）的开发中，我们需要尽可能地精打细算，优化内存的使用。
那么，你是否知道在C语言中有一个超实用的工具，可以帮助我们在程序中节省内存？它就是我想要介绍的主角：共用体（Union）。
一、什么是共用体？
在C语言中，共用体（Union）是一种特殊的数据结构，它允许多个不同类型的变量共享同一段内存空间。
听起来很抽象？没关系！先看一个简单的定义：
union Example {int i; // 整型成员float f; // 浮点型成员char str[20]; // 字符数组成员
};上面的union Example中包含了三个成员：
- 一个整型变量
i - 一个浮点型变量
f - 一个长度为20的字符串
str
关键点：这三个成员共用一块内存。也就是说，无论你存储的是整数、浮点数还是字符串，它们占用的空间是同一块内存地址。
共用体与结构体的区别
在C语言中还有一个类似的概念——struct（结构体）。那么，结构体和共用体有什么区别呢？
| 特性 | 共用体（Union） | 结构体（Struct） |
|---|---|---|
| 内存分配 | 所有成员共用一块内存，大小等于最大成员的大小。 | 每个成员各自分配内存，大小等于所有成员大小的总和。 |
| 使用场景 | 节省内存，只能同时使用一个成员。 | 占用更多内存，所有成员可以独立存储并同时使用。 |
| 灵活性 | 内存占用小，但操作稍复杂。 | 内存占用大，但逻辑更清晰，操作更方便。 |
简单总结：
1.如果你需要更灵活的操作且不担心内存占用，选struct。
2.如果你需要节省宝贵的内存，共用体（union）就是你的不二之选！
二、嵌入式开发中的共用体：实战应用
在嵌入式开发中，共用体的应用非常广泛。它不仅能节省内存，还能帮助我们更高效地处理数据。接下来，我们通过几个实际案例，来讲解共用体在嵌入式开发中的用法。
1.数据解析与存储优化
在嵌入式系统中，我们经常需要处理从外设（如传感器、通信模块）接收到的数据，这些数据可能是以字节（Byte）或二进制形式传输的。而共用体可以帮助我们轻松地在不同数据类型之间转换。
例如，有一个16位的传感器数据，通过共用体可以拆分成两个8位的字节进行处理：
#include <stdio.h>// 定义共用体
union SensorData {unsigned short fullData; // 16位整型struct {unsigned char lowByte; // 低8位unsigned char highByte; // 高8位} bytes;
};int main() {union SensorData data;// 模拟接收到16位数据data.fullData = 0x1234; // 假设传感器返回的16位数据// 访问高低字节printf("高字节: 0x%X\n", data.bytes.highByte);printf("低字节: 0x%X\n", data.bytes.lowByte);return 0;
}
运行结果：
高字节: 0x12
低字节: 0x34
通过这种方法，我们可以轻松地对传感器数据进行拆分，而不需要额外消耗内存。
2.实现简单的类型转换
在嵌入式开发中，有时候需要将浮点数的二进制表示存储到某些寄存器中，这时候可以使用共用体实现类型转换。
例如：
#include <stdio.h>// 定义共用体
union FloatConverter {float f; // 浮点数unsigned char bytes[4]; // 字节数组
};int main() {union FloatConverter converter;// 设置浮点数converter.f = 3.14;// 输出浮点数的字节表示printf("浮点数3.14的二进制表示:\n");for (int i = 0; i < 4; i++) {printf("字节%d: 0x%X\n", i, converter.bytes[i]);}return 0;
}
3.通信协议的构造与解析
嵌入式系统中，通信协议（如UART、SPI、I2C等）通常会使用二进制数据包进行传输。共用体可以帮助我们快速解析数据包，或者构造数据包。
#include <stdio.h>// 定义共用体
union Packet {struct {unsigned char header;unsigned char command;unsigned short data;} fields;unsigned char bytes[4]; // 字节形式
};int main() {union Packet packet;// 构造数据包packet.fields.header = 0xAA; // 标志位packet.fields.command = 0x01; // 命令packet.fields.data = 0x1234; // 数据// 打印整个数据包的字节printf("构造的数据包:\n");for (int i = 0; i < 4; i++) {printf("字节%d: 0x%X\n", i, packet.bytes[i]);}return 0;
}
输出结果：
构造的数据包:
字节0: 0xAA
字节1: 0x1
字节2: 0x34
字节3: 0x12通过共用体，我们可以灵活地访问数据包的各个字段，同时方便地处理其字节形式。
三、嵌入式开发中使用共用体的注意事项
1.成员数据覆盖
共用体的所有成员共享同一块内存，因此在对一个成员赋值后，其他成员的数据会被覆盖。确保在任意时刻只访问一个有效成员。
2.字节对齐问题
嵌入式系统中可能会存在字节对齐问题，使用共用体时需要注意内存布局是否符合硬件的要求。
3.调试复杂性
由于共用体存储的数据可能同时以多种形式存在，调试时需要特别留意数据的解释方式，以免出现误判。
四、总结
共用体是C语言中一个非常实用的工具，尤其在嵌入式开发中，它可以帮助我们：
1.节省宝贵的内存资源；
2.高效地进行数据类型转换；
3.轻松解析和构造通信协议的数据包。
在嵌入式日常学习和项目中，可以多尝试使用共用体优化代码，让自己的程序更加高效和专业！希望本文的分享对你有帮助~