浅析 C 语言的共用体、枚举和位域

前言

最近在尝试阅读一些系统库的源码，但是其中存在很多让我感到既熟悉又陌生的语法。经过资料查阅，发现是 C 语言中的共用体和位域。于是，趁着课本还没有扔掉，将一些相关的知识点记录在本文。

共用体 (union)

公用体和结构体相似，也是一种数据构造机制。但是结构体中的各成员变量顺序排列存储，每个成员变量都有自己独立存储空间，而共用体中所有成员变量共享同一片内存区域，一个共用体变量在每个时刻里只能保存它的某个成员变量的值。

定义格式如下：

union 共用体名 {成员列表
};

下面是共用体和结构体占用内存的情况：

#include <stdio.h>union UnionData {int a;float b;double c;char d;
};struct StructData {int a;float b;double c;char d;
};int main() {printf("%lu %lu\n", sizeof(UnionData), sizeof(StructData));return 0;
}

控制台输出结果：

8 24

共用体能支持在同一块内存区域对不同的数据类型进交替使用，增加了灵活性，节省了内存，通常在系统库中会有所应用。

枚举 (enum)

枚举 (enumeration) 是一系列命名的整型常量，它是一种基本数据类型，而不是一种构造类型。在“枚举”类型的定义中，我们需要列举出所有可能值，就像列举一周七天、一年四季等。

定义格式如下：

enum 枚举名 {枚举列表};

枚举的使用例子如下：

#include <stdio.h>// 枚举定义
enum Season {SeasonSpring = 1,SeasonSummer,SeasonAutumn, SeasonWinter
};int main () {Season a = SeasonSpring;switch (a) {case SeasonSpring:printf("SeasonSpring\n");break;case SeasonSummer:printf("SeasonSummer\n");break;case SeasonAutumn:printf("SeasonAutumn\n");break;case SeasonWinter:printf("SeasonWinter\n");break;}return 0;
}

控制台输出结果：

1 2 3

位域

有些数据在存储时并不需要占用一个完整的字节，只需要占用一个或几个二进制位即可。例如开关只有通电和断电两种状态，用 0 和 1 表示足以，也就是用一个二进位。

出于节省内存的角度考虑，就有了位域这种设计。位域是 C 语音中一种特殊的结构体成员，它允许我们指定它所占的内存位数。

定义格式如下：

struct 位域结构名 {类型说明符 位域名 : 位域长度;
};

说明：

• 一个位域必须存储在同 1 个字节中，不能跨两个字节。如果一个字节所剩的空间不足以存储下一个位域时，应该从下一个字节开始存储。
• 位域长度不能大于 1 个字节长度，也就是说不能超过 8 位。
• 位域的数据类型只能是 int、unsigned int、char、枚举等类型。
• 位域可以没有位域名，因为无名的位域是不能使用的，所以只是用作填充或调整位置的作用。例如：

  struct BitStruct {int a : 4;int   : 2;  // 空域，不能使用int b : 4;int c : 4;
  }
  

参考资料

• https://www.runoob.com/cprogramming/c-bit-fields.html
• https://book.douban.com/subject/26792521/

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本文主要对 C 语言中，共用体、枚举和位域等三块内容做简单介绍，涉及到他们在工程中应用的方面很少，如果后面阅读系统源码的过程遇到了，会再做进一步补充。