联合体与位域

联合体

定义

联合体也叫共用体，由不同的数据类型组成，其变量互斥，存储方式是所有成员共用一个段内存，共同体同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉。

特性

1. 在union中，分配内容空间大小，等于占用内存最大的数据类型字节大小
2. 共享一段内存，成员变量的赋值操作，其他成员变量原有数据将成为脏数据，不可用。

例子

// 联合体的定义
union Teacher {
    char *name; // 8
    int age; // 4
    double height; // 8
};

1. 验证联合体大小

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 联合体
        union Teacher teacher;
        teacher.name = "AngaoTu";
        teacher.age = 18;
        teacher.height = 175.0;
        
        NSLog(@"联合体大小 size = %lu", sizeof(teacher));
        
    }
    return 0;
}

打印结果：2022-07-30 15:38:42.149406+0800 联合体+位域[9304:21445471] 联合体大小 size = 8

可证明联合体的大小，是由占用内存最大的数据类型字节大小决定

2. 验证是否共用同一片地址

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 联合体
        union Teacher teacher;
        teacher.name = "AngaoTu";
        teacher.age = 18;
        teacher.height = 175.0;
        
        NSLog(@"name 地址 = %p, age 地址 = %p, height 地址 = %p", &teacher.name, &teacher.age, &teacher.height);
    }
    return 0;
}

打印结果：2022-07-30 15:43:05.950276+0800 联合体+位域[10267:21450499] name 地址 = 0x7ffeefbff398, age 地址 = 0x7ffeefbff398, height 地址 = 0x7ffeefbff398

可验证联合体中成员变量使用同一个地址

3. 验证一个成员被赋值，其他成员数据不可用

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 联合体
        union Teacher teacher;
        teacher.name = "AngaoTu";
        teacher.age = 18;
        teacher.height = 175.0;
    }
    return 0;
}

打印结果：

1. (Teacher) teacher = (name = "AngaoTu", age = 16176, height = 2.1220037829711594E-314)
2. (Teacher) teacher = (name = "", age = 18, height = 2.1219957998584539E-314)
3. (Teacher) teacher = (name = "", age = 0, height = 175)

可验证成员变量的赋值操作，其他成员变量原有数据将成为脏数据，不可用

优缺点

• 优点：
  • 内存使用更为精细、节省空间
• 缺点：
  • 不够包容，成员之间会互相影响

位域

定义

有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节，而只需占几个或一个二进制位。 例如在存放一个开关量时，只有 0 和 1 两种状态，用一位二进位即可。为了节省存储空间，并使处理简便，Ｃ语言又提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。

声明

• 位域的定义和结构体的定义相仿

sturct 位域结构名 {
  位域列表 // 格式： [类型 位域名：位域长度]
};

struct bits {
    int a: 8;
    int b: 2;
    int c: 6;
}

位域的大小

struct bits {
    char a:2; 
};
// size = 1 

struct bits {
    char a:2; 
    char b:2;
};
// size = 1 

struct bits {
    char a:2; 
    char b:2;
    char c:4; 
    char d:4;
};
// size = 2

struct bits {
    int a:4;
};
// size = 4 

struct bits {
    int a:4;
    int b:4;
};
// size = 4

struct bits {
    char a:8; 
    char b:8; 
    char c:8; 
    char d:8; 
    int e:4;
};
// size = 8 

• 位域的存储同样遵循结构体内存对齐规则
  • 选取该位域结构内声明时的类型中长度最大的类型长度，为对齐方式
  • 具体可参考结构体内存对齐【TODO】

特性说明

1. 当相邻成员，如果它们的位宽之和小于类型的 sizeof 大小，那么后面的成员紧邻前一个成员存储，直到不能容纳为止；如果它们的位宽之和大于类型的 sizeof 大小，那么后面的成员将从新的存储单元开始，其偏移量为类型大小的整数倍。
2. 位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度，成员变量都是有类型的，这个类型限制了成员变量的最大长度，: 后面的数字不能超过这个长度。
3. 位域可以是无名位域，这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的

联合体位域

定义

把联合体和位域结合起来的数据类型，称为联合体位域

声明

union isa_t {
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
    Class cls;
};

• 由于isa_t是一个共用体，所以bits和cls共用一块内存空间。
• bits是一个位域，里面根据不同位定义了数据，节省空间。