C语言容器中数据的高效串行化和解串--下位机的C语言处理（1）

C语言容器中数据的高效串行化和解串–下位机的C语言处理（1）

摘要

使用C#开发上位机的应用程序中，需要频繁的在上位机和下位机之间传递数据，这种传递数据使用值对象是比较合适的。值对象在上位机用C#语言处理，在下位机可容易地使用C语言处理；配合高效的串行化和解串可高效地在上下位机传送数据。采用值对象可有效简化数据传递，减少内存占用，提高处理效率，提高可维护性。

要在上位机和下位机之间传递数据，涉及的内容较广，我们打算分三部分来讲：数据容器，上位机的C#处理，下位机的C处理。

本文讲述下位机的C处理。采用C语言利用联合的可重叠性对容器（结构）中数据高效进行数据容器里的数据串行化和解串处理。

1、前言

​图1 本文在系列专题中的位置

下位机的编程大多采用C/C++语言，C++是C的超集，以C语言来做本文的演示更具通用性。C语言中没有类的概念，采用结构（stuct）是合适的。

C语言中的联合（union）的内存是可重叠的，所有成员共享同一块内存，总大小等于最大成员的大小。我们想要的是联合体（union）嵌套结构体（struct）+字节数组，结构体（struct）和字节数组类型的变量共享同一块内存空间，实现内存重叠复用。**通过内存重叠复用，实现结构体和字节数组之间的相互转换。**也就实现了容器中的数据串行化和解串处理。由于这种方法直接读取内存数据，不做其他运算，因而将数据容器里的数据串行化和解串处理效率也是非常高的；我们采用结构体的字节对齐，不会浪费内存。

在上位机和下位机之间传递数据的数据传送中，大多是带宽受限的，像Modbus-RTU。自然是同样传输内容的情况下，数据包/数据帧越小越好；数据串行化和解串处理效率越高越好。在这样的要求下，联合体（union）嵌套结构体（struct）+字节数组就是最佳选择之一。

使用Code::Blocks编程IDE。

2、 实战代码示例

2.1 定义一个类来封装数据容器

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<stdint.h>#include<string.h>// 使用1字节对齐，消除结构体间的填充字节#pragmapack(1)//=============================================================================// 结构体定义：DeviceData// 用途：描述设备采集的传感器数据，包含命令、温度、压力、状态和校验码// 注意：由于#pragma pack(1)，各成员紧密排列，共占用 2+2+4+1+2 = 11字节//=============================================================================structDeviceData{uint16_tCmd;// 命令码 (2字节)：设备指令标识，如读取/写入/控制等操作int16_tTemp;// 温度值 (2字节)：有符号整数，表示温度数据（单位：度）floatPress;// 压力值 (4字节)：浮点数，表示压力传感器采集的数值unsignedcharState;// 状态标志 (1字节)：位标志，可表示设备运行状态等信息uint16_tCRC;// CRC16校验码 (2字节)：用于数据完整性校验};//=============================================================================// 联合体定义：Overlay// 用途：实现内存overlay（内存覆盖），结构体成员和字节数组共享同一块内存// 特性：结构体占12字节（含填充），字节数组占11字节，实际共享内存为11字节// 应用场景：便于将结构体数据直接序列化为字节流，或从字节流直接解析//=============================================================================unionOverlay{// 结构体成员：占用 2+2+4+1+2 = 11字节（无填充因为在union中）structDeviceDatadata;// 字节数组成员：显式指定11字节，与结构体共享同一块内存unsignedcharbuffer[11];};

上述代码定义了联合体（union Overlay）嵌套结构体（struc DeviceDatat）+字节数组（buffer[11]）。这是代码的核心部分。

主要必须使用：#pragma pack(1)保证嵌套结构体（struc DeviceDatat）采用1字节对齐。

2.2 定义校验和的计算函数

//=============================================================================// 函数名：CRC16_Modbus// 功能：计算Modbus标准的CRC16校验码// 参数：data - 输入数据缓冲区指针// len - 数据长度（字节数）// 返回值：uint16_t类型CRC校验码// 算法说明：采用Modbus标准的CRC-16多项式(0xA001)，初始值为0xFFFF//=============================================================================uint16_tCRC16_Modbus(uint8_t*data,uint16_tlen){uint16_tcrc=0xFFFF;// 初始化为全1for(uint16_ti=0;i<len;i++){crc^=data[i];// 将数据字节与CRC寄存器进行异或for(uint8_tj=0;j<8;j++){// 处理每一位if(crc&0x0001){// 判断最低位是否为1crc>>=1;// 右移一位crc^=0xA001;// 与生成多项式异或}else{crc>>=1;// 仅右移一位}}}returncrc;}

2.3 演示部分

演示部分应用联合体（union Overlay）嵌套结构体（struc DeviceDatat）+字节数组（buffer[11]），调用校验和的计算函数验证：

• 结构体（struc DeviceDatat）-----> 字节数组（buffer[11]）
• 字节数组（buffer[11]））-----> 结构体（struc DeviceDatat）

//=============================================================================// 主函数：演示联合体的内存overlay特性// 功能：// 1. 通过结构体方式写入数据并计算CRC校验码// 2. 将数据以字节流方式输出// 3. 模拟从字节流接收数据，解析为结构体//=============================================================================intmain(){// 声明联合体变量，结构体成员和字节数组成员共享同一块内存unionOverlay overlay;//-------------------------------------------------------------------------// 第一部分：构造发送数据（使用结构体方式赋值）//-------------------------------------------------------------------------overlay.data.Cmd=0x0102;// 设置命令码：0x0102overlay.data.Temp=26;// 设置温度值：26度overlay.data.Press=1.25;// 设置压力值：1.25overlay.data.State=1;// 设置状态标志：1// 计算CRC16校验码（只对前9个字节进行校验，不包含CRC字段本身）uint16_tcrc=CRC16_Modbus(&overlay.buffer[0],9);overlay.data.CRC=crc;// 将计算出的CRC写入结构体// 输出结构体形式的各字段值printf("构造的结构体: Cmd: 0x%X, Temp: %d, Press: %f, State: %d, CRC: 0x%X \n",overlay.data.Cmd,overlay.data.Temp,overlay.data.Press,overlay.data.State,overlay.data.CRC);// 输出字节流形式的各字节值（用十六进制显示，字节间用"-"分隔）printf("转换后的字节数组:");for(inti=0;i<11;i++){if(i<10)printf("%02X-",overlay.buffer[i]);// 前10个字节后带"-"elseprintf("%02X \n",overlay.buffer[i]);// 最后一个字节后换行}//-------------------------------------------------------------------------// 第二部分：模拟接收数据（从字节流解析）//-------------------------------------------------------------------------// 先将结构体各字段清零，验证后续字节覆盖的效果overlay.data.Cmd=0;overlay.data.Temp=0;overlay.data.Press=0;overlay.data.State=0;overlay.data.CRC=0;// 模拟接收到的字节流数据（共11字节）// 对应结构体各字段的预期值：// Cmd=0x0102, Temp=26, Press=1.25, State=1, CRC=B9 8FunsignedcharrecBuf[]={0x02,0x01,0x1A,0x00,0x00,0x00,0xA0,0x3F,0x01,0xB9,0x8F};// 将接收到的字节流直接复制到联合体的字节数组中// 由于共享内存的特性，结构体成员同时被更新memcpy(overlay.buffer,recBuf,11);// 输出从字节流解析出的结构体各字段值printf("接收字节构成的结构体: Cmd: 0x%X, Temp: %d, Press: %f, State: %d, CRC: 0x%X \n",overlay.data.Cmd,overlay.data.Temp,overlay.data.Press,overlay.data.State,overlay.data.CRC);return0;// 程序正常结束}

2.4 运行结果

定义的结构体: Cmd: 0x102, Temp: 26, Press: 1.250000, State: 1, CRC: 0x8FB9 串行化后的字节数组:02-01-1A-00-00-00-A0-3F-01-B9-8F 解串后形成的结构体:: Cmd: 0x102, Temp: 26, Press: 1.250000, State: 1, CRC: 0x8FB9

2.5 结果验证

​ 校验和完成后的结构体 data

​ 由于我们使用的Code::Blocks编程IDE 无法自动将数据转为16进制。读者可自行转换。

按Cmd , Temp , Press , State 顺序结构体 data与串行化后的数据02-01-1A-00-00-00-A0-3F-01-B9-8F 相符。

字节数组: 02-01-1A-00-00-00-A0-3F-01-B9-8F 进行解串 ，原结构体 data与解串后的结构体deviceData一致。