将不同数据类型的值按顺序写入内存？或者，具有多种数据类型的数组？

Question

我对用 C 语言编写相对较新。我使用在网上和印刷品中找到的资源自学。这是我的第一个真正的 C 编程项目。一定要热爱在职培训。

我正在用 C 语言编写一些代码，该代码正在 Texas Instruments C6701 数字信号处理器上使用。具体来说，我正在编写一组通信函数来通过串行端口进行接口。

我正在进行的项目有一个现有的数据包协议，用于通过串行端口发送数据。这是通过传递一个指向要传输的数据及其字节长度的指针来实现的。我所要做的就是将要传输的字节写入内存中的“数组”中（发送器将该字节序列复制到缓冲区中并传输它）。

我的问题涉及如何最好地格式化要传输的数据，我必须发送的数据由几种不同的数据类型组成（无符号字符、无符号整数、浮点等...）。我无法将所有内容扩展到浮点（或整数），因为我的通信带宽有限并且需要使数据包尽可能小。

我最初想使用数组来格式化数据，

unsigned char* dataTx[10];
dataTx[0]=char1;
dataTx[1]=char2;
etc...

这可以工作，除非我的数据不是所有的字符，有些是无符号整数或无符号短整型。

为了处理短整型和整型，我使用了位移位（现在让我们忽略小端与大端）。

unsigned char* dataTx[10];
dataTx[0]=short1>>8;
dataTx[1]=short1;
dataTx[2]=int1>>24;
dataTx[3]=int1>>16;
etc...

然而，我相信另一种（也是更好的？）方法来做到这一点是使用指针和指针算术。

unsigned char* dataTx[10]
*(dataTx+0) = int1;
*(dataTx+4) = short1;
*(dataTx+6) = char1;
etc...

我的问题（最后）是，哪种方法（位移位或指针算术）是更可接受的方法？另外，跑得更快吗？ （我也有运行时限制）。

我的要求：数据连续位于内存中，没有间隙、中断或填充。

我对结构的了解还不够，还不知道结构是否可以作为解决方案。具体来说，我不知道结构是否总是连续且不间断地分配内存位置。我读到一些内容表明它们在 8 字节块中分配，并且可能引入填充字节。

现在我倾向于指针方法。感谢您阅读这篇看似很长的文章。

Answer 1

通常您会使用位移位方法，因为许多芯片不允许您将 4 字节整数复制到奇数字节地址（或者更准确地说，复制到从奇数字节地址开始的一组 4 字节） ）。这称为对齐。如果可移植性是一个问题，或者您的 DSP 不允许错位访问，则需要进行转移。如果您的 DSP 由于未对齐的访问而导致性能受到严重影响，您可能会担心。

但是，我不会编写如图所示的针对不同类型手动完成的转换的代码。我希望使用函数（可能是内联）或宏来处理数据的序列化和反序列化。例如：

unsigned char dataTx[1024];
unsigned char *dst = dataTx;

dst += st_int2(short1, dst);
dst += st_int4(int1, dst);
dst += st_char(str, len, dst);
...

在函数形式中，这些函数可能是：

size_t st_int2(uint16_t value, unsigned char *dst)
{
    *dst++ = (value >> 8) & 0xFF;
    *dst   = value & 0xFF;
    return 2;
}

size_t st_int4(uint32_t value, unsigned char *dst)
{
    *dst++ = (value >> 24) & 0xFF;
    *dst++ = (value >> 16) & 0xFF;
    *dst++ = (value >>  8) & 0xFF;
    *dst   = value & 0xFF;
    return 4;
}

size_t st_char(unsigned char *str, size_t len, unsigned char *dst)
{
    memmove(dst, str, len);
    return len;
}

当然，这样的函数会使代码变得乏味；另一方面，它们也减少了出错的机会。您可以决定名称是否应为 st_uint2() 而不是 st_int2() ——事实上，您可以决定长度是否应以字节为单位（如此处）或以位为单位（如在参数类型中）。只要你始终如一且无聊，你就可以做你想做的事。您还可以将这些函数组合成更大的函数来打包整个数据结构。

现代编译器可能不需要掩码操作（& 0xFF）。很久以前，我似乎记得它们对于避免某些平台上的某些编译器偶尔出现问题是必要的（因此，我的代码可以追溯到 20 世纪 80 年代，其中包含此类屏蔽操作）。上述平台可能已经安息了，所以我认为它们（仍然）在那里可能纯粹是偏执。

请注意，这些函数以大端顺序传递数据。这些函数可以在大端和小端机器上“按原样”使用，并且数据将在两种类型上正确解释，因此您可以使用此代码让不同的硬件通过网络进行通信，并且将会有没有沟通不畅。如果您要传达浮点值，则必须更多地担心网络上的表示形式。尽管如此，您可能应该以平台无关的格式传输数据，以便芯片类型之间的互操作尽可能简单。 （这也是我使用其中包含数字的类型大小的原因；特别是“int”和“long”在不同平台上可能意味着不同的事物，但 4 字节有符号整数仍然是 4 字节有符号整数，即使您是不幸 - 或幸运 - 足以拥有一台具有 8 字节整数的机器。）

Answer 2

您可能想使用联合数组。

Answer 3

处理问题的最简单和最传统的方法是设置要发送的数据，然后将指向数据的指针传递到传输例程。最常见的示例是 POSIX send() 例程：

ssize_t send(int socket, const void *buffer, size_t length, int flags);

对于您的情况，您可以将其简化为：

ssize_t send(const void *buffer, size_t length);

然后使用类似以下内容：

send(&int1, sizeof int1);
send(&short1, sizeof short1);

将其发送出去。适合您情况的示例（但非常幼稚）实现可能是：

ssize_t send(const void *buffer, size_t length)
{
  size_t i;
  unsigned char *data = buffer;

  for (i = 0; i < length; i++)
  {
     dataTx[i] = data[i];
  }
}

换句话说，使用自动转换为 void *，然后返回 char * 以获取字节方式访问您的数据，然后适当地将其发送出去。

Answer 4

很长的问题，我会尝试更简短的答案。

不要继续*(dataTx+4)=short1;等等，因为这种方法可能会失败，因为大多数芯片可能只在某些对齐的位置上进行读/写。您可以通过 16 位访问按 2 对齐的位置，并通过 32 位访问按 4 对齐的位置，但举个例子：“int32 char8 int32” - 第二个 int32 的位置为 (dataTx+5) - 这不是 4 字节对齐，您可能会收到“总线错误”或类似的信息（取决于您将使用的 CPU）。希望您能理解这个问题。

第一种方法 - 你可以尝试 struct，如果你声明：

struct
{
    char a;
    int b;
    char c;
    short d;
};

你现在就没有麻烦了，因为编译器本身会关心结构对齐。当然，请阅读编译器中与对齐相关的选项（如果这是 gcc，则简称为对齐），因为可能有一个设置强制对结构字段进行某种对齐或对结构字段进行打包。 GCC 甚至可以定义每个结构的对齐方式（更多此处）。

另一种方法是使用一些“类似缓冲区的方法”——类似于 Carl Norum 的回答帖子（我不会重复该答案），但也考虑在复制更多数据时使用 memcpy() 调用（例如，long long 或 string），因为这可能比逐字节复制更快。