用C语言编程，如何节省存储空间？

作者：十月天文

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种类型，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/Makefile
ALL : union1 union2 union3

union1: union1.c
gcc -o union1 union1.c

union2: union2.c
gcc -o union2 union2.c

union3: union3.c
gcc -o union3 union3.c

.PHONY : clean

clean:
rm -f union1 union2 union3

输出结果

$ ./union2
data.i : 1819043144
data.f : 1143139122437582505939828736.000000
data.str : Hello World

$ ./union3
data.i : 123
data.f : 456.000000
data.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种状态，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.c
gcc -o struct6 struct6.c

运行输出如下：

$ ./struct6
The size of TrafficLight 12
The 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。

-END-

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