面试题：C语言结构体与联合体内存布局在实际场景中的应用与优化

Question

在一个嵌入式系统项目中，内存资源非常有限，需要处理大量包含不同数据类型的传感器数据。数据有时以结构体形式存储以便于管理，有时又需要以联合体形式在不同设备间高效传输（考虑到数据转换和兼容性）。请描述你会如何根据C语言结构体和联合体的内存布局差异，设计数据结构来最大化利用内存空间并保证数据传输的准确性和高效性。同时，阐述在不同平台（如32位和64位系统）下，这种设计可能需要做出哪些调整。

Answer 1

1. 结构体和联合体内存布局差异

• 结构体：结构体的内存布局是各个成员变量按照定义顺序依次排列，内存大小为所有成员变量大小之和，可能存在内存对齐。例如：

struct SensorData1 {
    char sensorID;
    int sensorValue;
};

在32位系统下，char 占1字节，int 占4字节，考虑内存对齐（一般按4字节对齐），该结构体大小为8字节。

• 联合体：联合体所有成员共享同一块内存空间，其大小为最大成员的大小。例如：

union SensorData2 {
    char sensorID;
    int sensorValue;
};

上述联合体大小为4字节（int 类型大小）。

2. 设计数据结构

• 结构体设计：为最大化利用内存空间，尽量将小数据类型放在前面，减少内存空洞。例如：

struct SensorData {
    char sensorID;
    short sensorType;
    int sensorValue;
};

这样在32位系统下，按照4字节对齐，该结构体大小为8字节，比 int 在前的布局节省4字节。

• 联合体设计：对于需要在不同设备间传输的数据，将可能出现的不同数据类型用联合体封装，确保传输时占用最小内存。例如：

union TransferData {
    char charData;
    short shortData;
    int intData;
};

• 综合设计：可以设计一个结构体，内部包含联合体，以满足不同需求。

struct SensorPacket {
    char sensorID;
    union {
        char charData;
        short shortData;
        int intData;
    } data;
};

3. 不同平台下的调整

• 32位系统：上述设计基本适用，注意按照4字节对齐原则设计结构体。
• 64位系统：
  • 内存对齐：通常按8字节对齐。在结构体设计时，需要重新考虑成员顺序以减少内存浪费。例如，对于前面的 struct SensorData，在64位系统下，按照8字节对齐，其大小为16字节。可调整为：

struct SensorData {
    char sensorID;
    short sensorType;
    int sensorValue;
    char padding[2]; // 手动添加填充，使结构体大小为8字节倍数
};

- **数据类型大小**：虽然联合体设计思路不变，但要注意不同数据类型在64位系统下的大小变化，例如指针类型在32位系统占4字节，在64位系统占8字节。确保联合体中的成员类型选择合理，以适应不同平台的内存需求。