共用体とビットフィールド

概要

本投稿では、筆者の備忘録として共用体およびビットフィールド構造体についてまとめる。

共用体とは

共用体とは、１つのメモリー領域を確保し、そのメモリー領域内でメンバー(構造体や共用体の中で定義された変数)を扱うデータ型のことである。
共用体で確保するメモリー領域は、その共用体の中で最も大きいメンバーのサイズを確保する。
構造体と似ているが、共用体と構造体の違いについては後の章で解説する。

共用体とビットフィールド

共用体は、ビットフィールド構造体と組み合わせて使用されることがある。
以下に共用体とビットフィールド構造体を組み合わせて使用したサンプルコードとその実行結果を示す。

[サンプルコード (test.c)]

#include <stdio.h>

int main(void){
    union {
        struct {
            unsigned int a: 2;
            unsigned int b: 2;
            unsigned int c: 4;
        }bit;
        int all;
    }test;

    test.bit.a = 1;
    test.bit.b = 3;
    test.bit.c = 4;

    printf("%zu", sizeof(test));
    printf("[Byte]\n");
    printf("%d\n", test.bit.a);
    printf("%d\n", test.bit.b);
    printf("%d\n", test.bit.c);
    printf("%d\n", test.all);
}

以下に出力結果を示す。

4[Byte]
1
3
4
77

上記の出力結果のように、共用体は下記のように1つのメモリー領域(今回の場合、int型サイズの4[Byte]=32[bit])をメンバー内で共有して使用する。
上記の出力結果を図で表したものが図1である。

共用体と構造体の違い

共用体と構造体の大きな違いはメモリの使い方である。
以下に共用体と構造体を使用したサンプルコードとその実行結果を示す。
[サンプルコード (test.c)]

#include <stdio.h>

int main(void){
    struct {
        unsigned int a;
        unsigned int b;
        unsigned int c;
    }test;

    union {
        unsigned int a;
        unsigned int b;
        unsigned int c;
    }test2;

    test.a = 1;
    test.b = 3;
    test.c = 4;

    test2.a = 1;
    test2.b = 3;
    test2.c = 4;

    printf("%zu", sizeof(test));
    printf("[Byte]\n");
    printf("%d\n", test.a);
    printf("%d\n", test.b);
    printf("%d\n", test.c);

    printf("%zu", sizeof(test2));
    printf("[Byte]\n");
    printf("%d\n", test2.a);
    printf("%d\n", test2.b);
    printf("%d\n", test2.c);
}

以下に出力結果を示す。

12[Byte]
1
3
4
4[Byte]
4
4
4

上記の出力結果のように、構造体はメンバーごとにメモリー領域を確保している。
構造体のメモリー領域を図で表したものが図2である。

まとめ

本投稿では、共用体およびビットフィールドについてまとめた。
また、補足として、共用体と構造体のメモリー領域確保の違いについてもまとめた。
以下にポイントをまとめる。

• 共用体とは、１つのメモリー領域を確保し、そのメモリー領域内でメンバー(構造体や共用体の中で定義された変数)を扱うデータ型のことである。
• 共用体で確保するメモリー領域は、その共用体の中で最も大きいメンバーのサイズを確保する。
• 構造体は、共用体とは異なり、構造体内のメンバーごとにメモリー領域を確保する。