6. C语言 共用体及typedef

从基础 → 底层实现 → 嵌入式应用 全面掌握这两个概念。

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🧩 一、共用体（union）的本质与定义

1️⃣ 基本概念

共用体（union）和结构体（struct）很像 ，但它们在内存上的工作方式 完全不同。

特性	struct	union
各成员都有独立的内存	✅ 是	❌ 否（共享同一段内存）
内存大小	所有成员大小之和	最大成员的大小
同时保存多个值	可以	只能保存一个成员的值

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2️⃣ 示例对比

#include <stdio.h>

struct S {
    int a;
    char b;
};

union U {
    int a;
    char b;
};

int main() {
    struct S s = {65, 'B'};
    union U u;
    u.a = 65;

    printf("struct大小: %zu\n", sizeof(s));
    printf("union大小: %zu\n", sizeof(u));

    u.b = 'B';
    printf("u.a = %d, u.b = %c\n", u.a, u.b);
    return 0;
}

🧠 运行结果（假设 64 位系统）

struct大小: 8
union大小: 4
u.a = 66, u.b = B

解释：

• 共用体的所有成员共享同一块内存。
• 当 u.b = 'B' 时，它其实覆盖了前面的 int 值。
• 所以 u.a 的值被修改了（65 → 66，因为字符 'B' 的 ASCII 是 66）。

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3️⃣ 内存图解

union U {
    int a;   // 占 4 字节
    char b;  // 占 1 字节
}

内存（假设起始地址 0x1000）：

地址	内容	说明
0x1000	a 或 b 的值	共用同一位置
0x1001	同上	...
0x1002	同上	...
0x1003	同上	...

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⚙️ 二、嵌入式实际用途：硬件寄存器映射

在嵌入式开发中，共用体经常用于：

• 查看数据的不同表现形式
• 访问寄存器的不同位段

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1️⃣ 多视角访问同一块数据

union Data {
    int i;
    unsigned char bytes[4];
};

int main() {
    union Data d;
    d.i = 0x12345678;

    printf("bytes: %02X %02X %02X %02X\n",
           d.bytes[0], d.bytes[1], d.bytes[2], d.bytes[3]);
    return 0;
}

✅ 输出（取决于大小端）：

bytes: 78 56 34 12

📘 用途：

• 快速查看变量在内存中的布局；
• 网络协议中做 大小端转换（endian swap）；
• 将一个整数打包成字节流。

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2️⃣ 寄存器位操作映射

嵌入式芯片中，寄存器通常是一个 32 位的值，但不同位控制不同功能。

可以这样定义：

typedef union {
    unsigned int ALL;  // 整体访问寄存器
    struct {
        unsigned int EN      :1;  // bit0: 使能
        unsigned int MODE    :2;  // bit1~2: 模式
        unsigned int STATUS  :1;  // bit3: 状态
        unsigned int RESERVED:28;
    } BIT;
} REG_CTRL;

int main() {
    REG_CTRL reg;
    reg.ALL = 0;         // 清零
    reg.BIT.EN = 1;      // 使能寄存器
    reg.BIT.MODE = 3;    // 模式选择
    printf("寄存器值: 0x%08X\n", reg.ALL);
}

✅ 输出：

寄存器值: 0x00000007

🧠 优点：

• 结构化访问硬件寄存器；
• 无需复杂位操作；
• 可读性与安全性都提升。

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🔤 三、typedef ------ 类型重命名神器

1️⃣ 基础用法

typedef 是 "type definition" 的缩写，用来 给类型起别名。

typedef unsigned int uint32;
typedef struct {
    int x;
    int y;
} Point;

现在可以写成：

uint32 a = 10;
Point p = {1, 2};

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2️⃣ typedef + struct/union 常用写法

写结构体/共用体时，我们常见三种方式：

struct A { int x; };          // 方式1：声明结构体类型
typedef struct A AType;       // 方式2：起别名
typedef struct { int x; } B;  // 方式3：匿名结构体 + typedef

方式3 最常用于嵌入式开发：

typedef struct {
    uint8_t EN;
    uint8_t MODE;
} CTRL_REG;

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3️⃣ typedef + 函数指针（非常常见）

typedef void (*ISRHandler)(void);

现在可以直接定义：

ISRHandler Reset_ISR;

而不是：

void (*Reset_ISR)(void);

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🧠 四、嵌入式实战案例：结构体 + 共用体 + typedef

typedef union {
    unsigned int ALL;
    struct {
        unsigned int TXE:1;
        unsigned int RXE:1;
        unsigned int ERR:1;
        unsigned int RESERVED:29;
    } BIT;
} UART_STATUS;

typedef struct {
    UART_STATUS STATUS;
    unsigned char DATA;
} UART_REG;

UART_REG *UART1 = (UART_REG *)0x40011000; // 寄存器基址映射

int main(void) {
    if (UART1->STATUS.BIT.RXE) {
        unsigned char data = UART1->DATA;
        printf("接收数据: %c\n", data);
    }
}

✅ 说明：

• 用 typedef 让结构体定义更简洁；
• 用 union 既能按位访问，又能整体访问；
• 在嵌入式系统中直接映射寄存器地址，效率极高。

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📘 五、总结对比表

概念	struct	union	typedef
内存独立	每个成员独立占空间	所有成员共用空间	不影响内存，仅起别名
用途	数据组织	内存复用、位操作、硬件寄存器	类型简化、可读性提升
嵌入式意义	模块化数据	寄存器映射	统一风格、提高可维护性

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