面试题：C语言结构体与联合体结合在系统底层编程中的应用

Question

在操作系统内核或者嵌入式系统底层开发中，经常需要使用结构体与联合体结合来处理硬件寄存器相关的数据。假设你正在开发一个与特定硬件设备交互的驱动程序，该设备的寄存器可以通过不同的方式访问（例如，按字节、按字访问），请使用结构体与联合体结合的方式设计数据结构来模拟这种寄存器访问，并阐述如何通过这种设计来简化底层代码操作以及保证数据的准确性和效率。

Answer 1

数据结构设计

// 定义联合体来包含不同访问方式的数据
union RegisterAccess {
    uint32_t word;    // 按字访问
    struct {
        uint8_t byte0;
        uint8_t byte1;
        uint8_t byte2;
        uint8_t byte3;
    } bytes;           // 按字节访问
};

// 定义结构体来管理寄存器
struct HardwareRegister {
    union RegisterAccess value;
};

简化底层代码操作

通过这种设计，在底层代码中可以根据需要直接访问联合体中的不同成员。例如，如果需要按字写入寄存器，可以这样操作：

struct HardwareRegister reg;
reg.value.word = 0x12345678;

如果需要按字节读取寄存器的某一部分，可以这样：

uint8_t part = reg.value.bytes.byte2;

这样就避免了复杂的位运算，使代码更加直观、简洁，易于理解和维护。

保证数据准确性和效率

• 准确性：由于联合体共享内存空间，无论以何种方式访问（按字节或按字），操作的都是同一个物理内存位置，所以数据一致性得到保证。例如对 word 成员赋值后，bytes 成员的相应字节值也会同步更新，反之亦然。
• 效率：这种设计直接映射到硬件寄存器的不同访问方式，不需要额外的转换操作。在底层代码中，对寄存器的读写操作直接对应到联合体成员的访问，减少了计算开销，提高了代码执行效率。同时，由于结构体和联合体的内存布局是紧凑的，没有额外的填充字节浪费内存，在嵌入式系统中内存资源有限的情况下，也提高了内存使用效率。