組み込みC言語の構造体：定義・活用・メモリ最適化の実践ガイド

しかし、異なる型の変数をグループ化する必要がある場合、例えばサンプル配列とADCのサンプリングレートを別々の独立変数として宣言すると不必要なオーバーヘッドが生じます。代わりに、それらを構造体にカプセル化できます：

struct record { uint16_t voice[50]; float sample_rate; };

record構造体はuint16_tの配列とfloatを単一の論理的に接続されたデータオブジェクトにまとめます。

なぜ構造体が重要なのか？

構造体は異種変数を凝集性のある単位として関連付け、操作をシンプルにし可読性を高めます。リンクリストやメッセージバッファなど、組み込み通信とセンサデータ処理で普及しているより複雑なデータ構造の基盤となります。

例えば、マイクロコントローラのメモリマップドペリフェラルは、ハードウェアレジスタレイアウトを反映した構造体として表現されることが多く、メンバ構文でレジスタへの直感的なアクセスを可能にします。

図1. 構造体を用いたリンクリスト実装例。

図2. STM32 MCUのメモリマップ。Embedded Systems with ARM提供の画像。

構造体の宣言

まず構造体テンプレートを定義します。例：

struct record { uint16_t voice[4]; float sample_rate; };

テンプレート自体はメモリを消費しません。その型の変数を宣言した時点で割り当てられます：

struct record mic1;

これでmic1は4つのuint16_t要素と1つのfloat分のスペースを占有します。ドット演算子でメンバにアクセス：

mic1.voice[0] = 100; float fs = mic1.sample_rate;

構造体宣言のその他の方法

最も一般的なパターンは構造体を先に定義し、その後変数を宣言するものですが、C言語には代替構文があります：

構文1：タグと変数を同時に

struct record { uint16_t voice[4]; float sample_rate; } mic1;

以降の変数は別個に宣言可能：

struct record mic2;

構文2：無名テンプレート

struct { uint16_t voice[4]; float sample_rate; } mic1;

ここではテンプレートに名前がないため、他で再利用できません。

構文3：無名ネスト構造体

struct test { struct { float f; char a; }; } test_var;

内部メンバに直接アクセス：

test_var.f = 1.2f;

無名構造体は冗長性を減らせますが、明確さのため慎重に使用すべきです。

構造体のメモリレイアウト

C標準は、メンバが宣言順にメモリ上で順次配置されることを保証します。例：

struct Test2 { uint8_t c; uint32_t d; uint8_t e; uint16_t f; } MyStruct;

32ビットマシンでは、uint32_tが4バイト境界にアラインされるためのパディングによりsizeof(MyStruct)は12バイトになります。メンバを並べ替えるとパディングを排除できます：

struct Test2 { uint32_t d; uint16_t f; uint8_t c; uint8_t e; } MyStruct;

これでsizeof(MyStruct)は8バイトに縮小します。メモリ制約のあるファームウェアでは貴重な節約です。

図3. データアライメントにより構造体のメモリレイアウトにパディングが追加される例。

まとめ

• 構造体を使えば異種変数を単一の管理しやすい単位にバンドルでき、コードの明確さと効率が向上する。
• カスタムデータ構造はデバイス間メッセージングやセンサデータ格納などのタスクを支える。
• メモリマップドペリフェラルのハードウェアレジスタマッピングに不可欠。
• アライメントを尊重してメンバを並べ替えると構造体サイズを大幅に削減できる。

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