用C語(yǔ)言編程節(jié)省存儲(chǔ)空間的方法分析

時(shí)間：2024-07-12 11:21:21

關(guān)鍵字： C語(yǔ)言存儲(chǔ)空間

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[導(dǎo)讀]大家都知道進(jìn)行單片機(jī)編程和計(jì)算機(jī)編程有個(gè)最大的差別就是單片機(jī)的資源非常的有限，并且對(duì)于大部分低端單片機(jī)而言都沒(méi)有操作系統(tǒng)。

在C語(yǔ)言中，聯(lián)合體(Union)是一種特殊的復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型，它允許在一個(gè)相同內(nèi)存區(qū)域中存儲(chǔ)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，但任何時(shí)候只能存儲(chǔ)其中一種類(lèi)型的數(shù)據(jù)。通過(guò)使用聯(lián)合體，可以節(jié)省存儲(chǔ)空間，因?yàn)樗谐蓡T共享同一塊內(nèi)存，而非為每個(gè)成員分配獨(dú)立的空間。

例如，假設(shè)我們有一個(gè)場(chǎng)景，需要存儲(chǔ)一個(gè)既可以表示整數(shù)也可以表示浮點(diǎn)數(shù)的變量，而且我們知道在任何時(shí)刻只需要存儲(chǔ)其中一種數(shù)據(jù)類(lèi)型。此時(shí)，可以使用聯(lián)合體來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就不需要為整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)分別分配內(nèi)存空間，而是共享一塊內(nèi)存。

大家都知道進(jìn)行單片機(jī)編程和計(jì)算機(jī)編程有個(gè)最大的差別就是單片機(jī)的資源非常的有限，并且對(duì)于大部分低端單片機(jī)而言都沒(méi)有操作系統(tǒng)。除了一些嵌入式級(jí)的芯片用了Linux系統(tǒng)外，其他大部分操作都是比較簡(jiǎn)單的RTOS，可能還有一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用或者芯片根本不用系統(tǒng)，直接是裸機(jī)程序。

不過(guò)大部分單片機(jī)編程都與硬件密切的結(jié)合，這樣工程師能夠?qū)Ξ?dāng)前的項(xiàng)目對(duì)象有更多的把控能力和理解能力。但是由于它的簡(jiǎn)單，我們平時(shí)在工作中往往需要控制一個(gè)項(xiàng)目的成本，對(duì)于單片機(jī)的選型和資源的評(píng)估都是非常謹(jǐn)慎;同樣隨著我們項(xiàng)目功能的不斷擴(kuò)展，也會(huì)讓系統(tǒng)程序逐步變得龐大，這時(shí)候資源的使用就更需要節(jié)約點(diǎn)用了。

所以當(dāng)資源受限制(一般的單片機(jī)RAM也就Kb級(jí)別),比如說(shuō)單片機(jī)RAM不夠了，即使你有再牛的算法可能也無(wú)法加入到項(xiàng)目中來(lái)，那么有些同志們會(huì)問(wèn)，那換芯片不就可以了嗎?我只想說(shuō)這位同志你想多了，對(duì)于不怎么熱賣(mài)產(chǎn)品或者不規(guī)范的公司可能還允許你試一試，可是一般的公司項(xiàng)目卡著走的，換了主控芯片，暫且不說(shuō)軟件上的移植工作，換了芯片成本上必定增加，產(chǎn)品的測(cè)試都得重新規(guī)劃，老板領(lǐng)導(dǎo)可不愿意了。

那么主控芯片換不了我們還有什么辦法呢?那我們應(yīng)該從原本的程序中擠出資源來(lái)使用了，下面我總結(jié)了幾種?？偡椒ü┐蠹覅⒖?。(具體內(nèi)容可以網(wǎng)絡(luò)查找)

共聯(lián)體-union

union-共聯(lián)體，是C語(yǔ)言常用的關(guān)鍵字。從字面上的意思就是共同聯(lián)合在一起的意思，union所有的成員共同維護(hù)一段能夠內(nèi)存空間，其內(nèi)存的大小取決于所有成員中占用空間最大的成員。

union結(jié)構(gòu)體由于是共用同一片內(nèi)存可以大大節(jié)省內(nèi)存空間，那一般什么情況下使用union?又或者union還有什么特點(diǎn)?下面我將用幾點(diǎn)為大家解答。

1)所有的union的成員及本身的地址是一樣的。

2)union的存儲(chǔ)模型受大小端的影響，我們可以通過(guò)下面的代碼進(jìn)行測(cè)試。(如果輸出結(jié)果為1，表示小端模式，否則為大端模式)

大小端小知識(shí)

大端模式(Big_endian)：一個(gè)數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址，低字節(jié)存儲(chǔ)在高地址。其指針指向的首地址位于低地址。

小端模式(Little_endian)：一個(gè)數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在高地址，低字節(jié)存儲(chǔ)在低地址。其指針指向的首地址位于高地址。

3)union不同于結(jié)構(gòu)體struct，union對(duì)成員的改變可能會(huì)影響到其他成員變量，所以我們要形成一種互斥使用，比如說(shuō)我們的順序執(zhí)行其實(shí)就是每個(gè)代碼都是互斥的，所以我們可以用union進(jìn)行函數(shù)處理緩存等。(個(gè)人覺(jué)得也可以認(rèn)為是分時(shí)復(fù)用，并且是不會(huì)受內(nèi)存初值影響的處理)

內(nèi)存安全：C語(yǔ)言中的內(nèi)存安全是指程序員必須確保他們的程序不會(huì)讀取或?qū)懭胛捶峙浠蛞厌尫诺膬?nèi)存。這可以通過(guò)使用指針和動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需要小心操作，避免發(fā)生內(nèi)存泄漏或懸掛指針等問(wèn)題。

位域

位域可能對(duì)于初學(xué)者用得比較少，不過(guò)對(duì)于大部分參加工作的工程師應(yīng)該屢見(jiàn)不鮮了，確實(shí)它也是我們省內(nèi)存的神器。

因?yàn)樵谖覀兤綍r(shí)編程過(guò)程中，我們使用的變量與實(shí)際情況是息息相關(guān)的，就比如說(shuō)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，我們一般就是0或者是1分別表示打開(kāi)和關(guān)閉，那么我們用一個(gè)bit就能表示，假如說(shuō)我們用一個(gè)char來(lái)存儲(chǔ)就幾乎浪費(fèi)了7個(gè)bit，如果以后也有類(lèi)似的的情況，那么大部分內(nèi)存都得不到有效的應(yīng)用。所以C語(yǔ)言的位域就是用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

不過(guò)我們需要注意如下幾點(diǎn)：

1)位域是在結(jié)構(gòu)體中實(shí)現(xiàn)的，其中位域規(guī)定的長(zhǎng)度不能超過(guò)所定義類(lèi)型，且一個(gè)位域只能定義在同一個(gè)存儲(chǔ)單元中。

2)無(wú)名位域的使用，可以看下面的代碼。

3)由于位域與數(shù)據(jù)類(lèi)型有關(guān)系，那么他的內(nèi)存占用情況也與平臺(tái)的位數(shù)相關(guān)。(相關(guān)內(nèi)容可網(wǎng)絡(luò)查找)

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊問(wèn)題可能大部分人關(guān)注的不是很多，可能在通訊領(lǐng)域進(jìn)行內(nèi)存的copy時(shí)候接觸得比較多。結(jié)構(gòu)體對(duì)齊問(wèn)題也是與平臺(tái)相關(guān)，CPU為了提高訪問(wèn)內(nèi)存的效率，一次性可能讀取2個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)，8個(gè)字節(jié)等，所以編譯器會(huì)自動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)體內(nèi)存進(jìn)行對(duì)齊。

廢話不多說(shuō)，代碼說(shuō)明一切：

算法優(yōu)化

算法優(yōu)化其實(shí)主要是我們通過(guò)修改一些算法的實(shí)現(xiàn)一種效率與內(nèi)存使用的一個(gè)平衡，我們都知道我們的算法都存在著復(fù)雜度的問(wèn)題，我們大部分高效率的算法都是通過(guò)使用內(nèi)存來(lái)?yè)Q效率，也就是一種用空間換時(shí)間的概念。那么當(dāng)我們內(nèi)存使用有限的時(shí)候我們可以適當(dāng)?shù)挠脮r(shí)間來(lái)?yè)Q空間的方法，騰出更多的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的功能。

同樣我們?cè)谶M(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)的時(shí)候可以盡量使用局部變量來(lái)減少全局變量的使用!

C語(yǔ)言的共用體union

共用體是一種特殊的數(shù)據(jù)類(lèi)型，允許您在相同的內(nèi)存位置存儲(chǔ)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型。

什么意思呢，就是在同一塊內(nèi)存存儲(chǔ)可以定義多個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型，但是在使用的時(shí)候，只有一個(gè)變量有效。

這里就有一個(gè)問(wèn)題，變量有大有小呀，對(duì)的，所以這個(gè)時(shí)候共用體的空間為內(nèi)部變量最大占用空間的值。

如此這般，共用體就可以通過(guò)共享存儲(chǔ)空間，來(lái)避免當(dāng)前沒(méi)有被使用的變量所造成的存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。

共用體的成員可以使用任何數(shù)據(jù)類(lèi)型，但是一個(gè)共用體所占用的存儲(chǔ)空間的字節(jié)總數(shù)，必須保證至少足以能夠容納其占用空間字節(jié)數(shù)最大的成員。并且共用體每次只允許訪問(wèn)一個(gè)成員，也就是一種數(shù)據(jù)類(lèi)型，確保按照正確的數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)訪問(wèn)共用體中的數(shù)據(jù)，就是你的責(zé)任了。

是否還有辦法壓縮內(nèi)存呢?

或許有人會(huì)提出修改默認(rèn)對(duì)齊字節(jié)數(shù)，但這絕對(duì)不是一個(gè)好主意，因?yàn)镃PU對(duì)奇地址內(nèi)存讀取會(huì)占用兩個(gè)總線周期，而偶地址只需要一個(gè)。如果改為1字節(jié)對(duì)齊，那么就會(huì)存在有的變量的地址是奇地址，這會(huì)影響程序執(zhí)行效率，絕非專(zhuān)業(yè)人士所愿。

下面介紹一種極客方法。

之前我們提到過(guò)，32位下是4字節(jié)對(duì)齊的，那么其實(shí)我們的結(jié)構(gòu)體的地址(例如next指針指向的下一個(gè)connnection結(jié)構(gòu)的地址)的低位最后兩比特就一定為0。

既然有常為0的比特位，我們何不利用起來(lái)，針對(duì)上例，我們可以去掉closed變量，此時(shí)代碼形如：

typedef struct connection_s {

int sockfd;

chain_t *recv_chain_head;

chain_t *recv_chain_tail;

chain_t *send_chain_head;

chain_t *send_chain_tail;

struct connection_s *next;

} connection_t;

似乎我們?nèi)鄙倭艘粋€(gè)位域變量，無(wú)法完成closed標(biāo)記了。但next后兩位常年為0，我們可以利用其最后一位來(lái)替代closed位變量，做法形如：