联合体与位域
在对 OC 对象创建的探究过程中，我们发现一个很有趣的实现 isa。isa 是将对象内存空间与 class 之间联结起来的桥梁，而他的实现也很精妙，在有限的存储空间(一个寄存器的存储空间，在 64 位架构为 16 个字节，在 32 位的架构为 8 个字节)里，记录了很多的内容。他的实现方式正是我们今天的主角 -- 联合体与位域。
联合体
我们知道在 C 语言中结构体 struct 是一种构造类型或复杂类型，它可以包含多个类型不同的成员。还有另外一种和结构体非常类似的语法，叫做共用体，也叫联合体。
union 共用体名 {
成员列表
}
结构体和共用体的区别在于：结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响；而共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员。
结构体占用的内存大于等于所有成员占用的内存的总和（成员之间可能会存在缝隙），共用体占用的内存等于最长的成员占用的内存。共用体使用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会把原来成员的值覆盖掉。
union Data {
int a;
short b;
char c;
} data;
int main(int argc, const char * argv[]) {
data.a = 4;
data.b = 8;
data.c = 'c';
NSLog(@"union data: %lu - %lu", sizeof(data), sizeof(union Data)); // union data: 4 - 4
}
联合体 data 中：
-
a是int类型，4 个字节 -
b是double类型，2 个字节，所占内存最多 -
c是char类型，1个字节
所以 data 所占内存是 4 个字节。
接下来我们来验证下联合体在计算机中是如何存储数据的：
data.c = 'g';
NSLog(@"a: %d, b: %d, c: %c", data.a, data.b, data.c);
data.b = 0x5341;
NSLog(@"a: %d, b: %d, c: %c", data.a, data.b, data.c);
data.a = 0x123a4e63;
NSLog(@"a: %d, b: %d, c: %c", data.a, data.b, data.c);
union_covery.png
结合图中的输出，即验证了共用体的长度，也验证了共用体成员之间会相互影响，修改一个成员的值会影响其他成员。
为了更好的理解上面的输出结构，简单画了下其各个成员在内存中的分布：
union_2.png
在计算机中，数据多以小端模式（即从低地址开始存储，数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中）存储，上图就是以小端模式的内存分布。
位域
在理解位域之前，我们先来看一个例子：
我们有一辆坦克，他可以向前、后、左、右四个方向中其中几个方向前进。
@interface SMTank : NSObject
@property (nonatomic, assign) BOOL front;
@property (nonatomic, assign) BOOL back;
@property (nonatomic, assign) BOOL left;
@property (nonatomic, assign) BOOL right;
@end
tank.png
我们可以看到 front、back、left、right各占一个字节，但其实我们只需要一个二进制就可以表现出来，也就是 0 或则 1 就可以。
这个时候，我们就可以使用位域：
@interface SMTankCopy : NSObject
- (void)setFront:(BOOL)isFront;
- (BOOL)isFront;
- (void)setBack:(BOOL)isBack;
- (BOOL)isBack;
- (void)setLeft:(BOOL)isLeft;
- (BOOL)isLeft;
- (void)setRight:(BOOL)isRight;
- (BOOL)isRight;
@end
#define SMDirectionFrontMask (1 << 0)
#define SMDirectionBackMask (1 << 1)
#define SMDirectionLeftMask (1 << 2)
#define SMDirectionRightMask (1 << 3)
@interface SMTankCopy () {
union {
char bits;
struct {
char front: 1;
char back: 1;
char left: 1;
char right: 1;
};
} _direction;
}
@end
@implementation SMTankCopy
- (instancetype)init {
self = [super init];
if (self) {
_direction.bits = 0b00000000;
}
return self;
}
// 这里可以有两种写法，得到的结果是一样的
- (void)setFront:(BOOL)isFront {
// if (isFront) {
// _direction.bits |= SMDirectionFrontMask;
// } else {
// _direction.bits &= ~SMDirectionFrontMask;
// }
_direction.left = isFront;
}
- (BOOL)isFront {
return !!(_direction.bits & SMDirectionFrontMask);
}
- (void)setBack:(BOOL)isBack {
_direction.back = isBack;
}
- (BOOL)isBack {
return !!(_direction.back & SMDirectionBackMask);
}
- (void)setLeft:(BOOL)isLeft {
_direction.left = isLeft;
}
- (BOOL)isLeft {
return !!(_direction.left & SMDirectionLeftMask);
}
- (void)setRight:(BOOL)isRight {
_direction.right = isRight;
}
- (BOOL)isRight {
return !!(_direction.left & SMDirectionLeftMask);
}
@end
tank2.png
如果我们以结构体来作为存储结构的话，还可以节省内存：
struct SMTank {
char left;
char right;
char front;
char back;
} tank;
struct SMTank2 {
union {
char bits;
struct {
char front :1;
char back :1;
char left :1;
char right :1;
};
} direction;
} tank2;
tank.left = 1;
tank.right = 1;
tank.front = 1;
tank.back = 1;
NSLog(@"tank: %lu", sizeof(tank)); // tank: 4
tank2.direction.left = 1;
tank2.direction.right = 1;
tank2.direction.front = 1;
tank2.direction.back = 1;
NSLog(@"tank: %lu", sizeof(tank2)); // tank: 1
因为联合体共用内存，所以 tank2 只占一个字节。
有些数据在存储时并不需要占用一个完整的字节，只需要占用一个或几个二进制位即可。基于这种的数据结构，就是位域。
